온실가스로 에틸렌 만든다

2019.09.24 12:00
한승주 한국화학연구원 연구원(왼쪽)과 김용태 연구원이 비산화 메탄 직전 전환 기술에 쓰이는 단원자 철 촉매를 들여다보고 있다. 한국화학연구원 제공.
한승주 한국화학연구원 연구원(왼쪽)과 김용태 연구원이 비산화 메탄 직전 전환 기술에 쓰이는 단원자 철 촉매를 들여다보고 있다. 한국화학연구원 제공.

국내 연구진이 온실가스 메탄을 산소 없이 화학원료로 전환하는 기술을 개발했다. ‘비산화 메탄 직접 전환’으로 불리는 이 기술은 산화 메탄 직접 전환 기술에 비해 경제성과 안전성이 높은 기술로 중국과 미국만 보유하고 있는 석유화학 분야 핵심 기술이다. 

 

한국화학연구원은 김용태·김석기 탄소자원화연구소 선임연구원 연구팀이 이산화탄소와 함께 강력한 온실가스인 메탄을 석유화학의 쌀로 불리는 에틸렌을 비롯한 화학원료와 수소 등으로 99% 전환하는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’을 개발했다고 24일 밝혔다. 

 

비산화 메탄 직접 전환기술은 기술적으로 구현하기가 쉽지 않다. 현재 중국 대련화학물리연구소가 2014년 국제 학술지 ‘사이언스’에 관련 논문을 발표한 후 사우디아라비아 석유화학사 ‘SABIC’과 공동으로 사업화를 진행중이다. 

 

김용태 선임연구원은 “지금까지 중국이 사이언스에 발표한 비산화 메탄 직접 전환기술을 재현한 연구그룹은 아직 없었다”며 “미국 메릴랜드대 연구진이 2016년과 2019년 중국의 연구결과를 토대로 새로운 반응기를 개발하는 논문을 발표했지만 촉매 합성과 반응활성 재현, 제조법 확립 등 실제 반응이 일어나는 메커니즘을 완벽하게 규명하지 못했는데 화학연이 처음으로 이 메커니즘을 밝혀낸 것”이라고 말했다. 

 

메탄은 석유화학 공정과 셰일 가스에서 대량으로 나오는 저렴한 가스다. 현재 연간 메탄 발생량 6억톤 중 96%가 난방·발전용 열원으로 사용되고 4%만 화학원료로 사용된다. 전세계 과학자들은 메탄을 화학원료로 전환해 활용하는 방법을 연구하고 있다. 

 

메탄을 화학원료로 전환하는 기술은 크게 간접전환과 직접전환으로 나뉜다. 간접전환은 메탄과 산화제를 반응시켜 합성가스를 만든 뒤 합성가스로부터 화학원료를 얻는 기술로 상용화됐지만 효율이 낮다. 산화제가 없어도 직접 전환하는 기술 상용화에 전세계 과학자들이 힘을 쏟고 있는 이유다. 

 

메탄 직접 전환의 기술적 장벽은 이른바 ‘메틸 라디칼’이다. 메탄(CH4)에서 수소 원자 하나가 빠진 CH3가 메틸 라디칼이다. 메틸 라디칼은 메탄에 비해 불안정해 반응성이 높다. 고온에서 반응성을 제어하지 못하면 고체 탄소(코크, 탄소침전물)로 바뀐다. 

 

이를 해결하기 위한 방법으로 반응물에 산소를 같이 투입하는 방법이 산화 메탄 직접 전환 기술이다. 산소와 코크를 연속적으로 반응시켜 이산화탄소로 바꿔주는 방법이다. 그러나 이 경우 이산화탄소를 포집하는 후처리 공정 비용이 만만치 않고 메탄의 화학원료 전환 비율도 최대 70%에 그친다. 

 

화학연 연구진은 1000도 이상의 고온에서 산화제 없이 메틸 라디칼을 제어하면서 에틸렌과 벤젠 등 화학원료로 99% 전환하는 비산화 메탄 직접 전환 기술을 개발했다. 촉매 표면 설계만으로 메탈 라디칼을 제어하는 것으로 고난도 기술로 알려져 있다. 

ACS 카탈리시스 표지 논문. 화학연구원 제공.
ACS 카탈리시스 표지 논문. 화학연구원 제공.

연구진이 개발한 핵심 기술은 ‘단원자 철’ 촉매다. 기존 촉매가 여러 원자들이 뭉쳐 있는 탓에 연쇄적으로 반응이 일어나는 데 비해 연구진이 개발한 촉매는 여러 개의 단원자가 촉매 표면에 흩어져 있는 형태로 각 단원자에서 한번씩만 화학반응이 일어난다. 그 결과 기존 촉매에서 연쇄 반응으로 생성되는 이산화탄소와 코크 등 부산물이 생기지 않고 연쇄 반응에 투입되는 불필요한 에너지도 줄여 에너지 효율이 높아졌다. 

 

연구진은 개발한 기술을 통해 메탄으로부터 선택적으로 에틸렌·에탄·아세틸렌 등의 화합물을 86%, 벤젠·자일렌·톨루엔·나프탈렌 등 방향족 화합물 13%를 전환했고 부산물로 수소를 얻는 데 성공했다. 화학원료 전환율 99%를 달성한 것이다. 

 

김석기 선임연구원은 “이번 연구결과는 촉매 표면의 성질에 따라 부산물이 억제되는 메커니즘을 밝혔다는 점에서 학술적인 의미가 있다”며 “앞으로 수율을 더욱 향상시키는 촉매 기술을 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다. 

 

김용태 선임연구원은 “거의 대다수 플라스틱 제품 등에 사용되는 에틸렌의 경우 석유화학 시장에서 약 절반 정도를 차지할 정도로 큰데 대부분 석유화학 공정에서 얻는다”며 “메탄으로 에틸렌을 얻을 수 있다면 화학 시장에서 파급력이 클 것”이라고 강조했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 9월호 표지논문으로 게재됐다. 

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