[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 실험이 아닌 컴퓨터 계산을 활용해 촉매 후보물질을 설계하고 이를 바탕으로 최적화 활성의 촉매를 만들어 냈다.

시행착오가 동반되는 반복된 실험이 아닌 원자구조를 모델링하는 계산(시뮬레이션)을 통해 여러 물질을 빠른 시간에 탐색하고 우수한 활성의 촉매를 도출하는 방식이다.

29일 과학기술정보통신부 한국연구재단(이사장 노정혜)에 따르면 한국과학기술연구원(KIST) 하정명·함형철 박사 연구팀은 컴퓨터 계산을 통해 메탄가스에서 ‘화학산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾아냈다.

석유화학공정이나 매립 쓰레기에서 얻을 수 있는 많은 양의 메탄을 에너지원으로 사용하는 데서 나아가 화학제품의 원료로 사용할 수 있는 천연가스 고부가가치화 촉매를 설계한 것이다.

양자역학 계산을 통한 천연가스 전환 최적 촉매 개발 : 양자역학 계산을 활용해 천연가스 전환 에틸렌 생산 촉매를 설계하고, 이들 촉매들이 향상된 활성을 보임을 확인했다. 2019.07.29. [자료=한국과학기술연구원]

메탄을 일산화탄소와 수소로 전환시켜 원료로 활용하는 간접적인 방식은 상용화 단계에 이르렀으나 효율이 낮은 편이다. 원유증류 과정에서 에틸렌을 얻는 대신 풍부하게 존재하는 메탄을 산소와 반응시켜 직접 에틸렌을 얻으려 했지만 반응이 완전히 밝혀지지 않아 적합한 촉매를 찾기 어려웠다.

이에 연구팀은 실험을 통해 일일이 후보 물질의 반응성을 확인하는 대신 컴퓨터를 이용해 다양한 후보물질을 설계하고 그 물질 표면에서 메탄이 어떻게 변화할지 예측했다.

실험실에서 촉매를 합성하는 데 걸리는 시간은 평균 1주며, 촉매의 화학반응 특성분석에 걸리는 시간 또한 1∼2주가 소요되는 점을 감안하면 하나의 촉매 후보군의 반응성에 대해 판단을 내리는 데 소요되는 한 달 가량의 시간을 크게 단축한 것이다.

압축된 촉매 후보 물질 65종류 가운데 네오디뮴(Nd)이 첨가된 스트론튬타이타네이트 촉매가 메탄의 산화를 돕는 높은 활성을 보임을 확인했다. 기존 스트론튬타이타네이트 촉매의 선택도(48.9%) 대비 15% 가까이 향상된 선택도(55.0%)를 보여 메탄 원료를 더 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 제시한 것이다. 석유화학산업에서 선택도 1% 향상으로도 공정의 경제성에 큰 영향을 미친다.

하정명 박사는 “실험만으로는 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계 방법을 개발한 것”이라며 “향후 저가의 천연가스로부터 고부가가치화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 것”이라고 계획을 밝혔다.

연구결과(논문 “Combined experimental and density functional theory(DFT) studies on the catalyst design for the oxidative coupling of methane)는 촉매화학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 카탈리시스(Journal of Catalysis)’에 7월 10일자로 게재됐다.

kimys@newspim.com