[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 국내 연구진이 버려지는 이산화탄소와 산업 부생가스로부터 온실가스를 배출하지 않는 고부가가치 화학물질인 '알파올레핀'을 만드는 촉매 공정기술을 개발했다.

한국화학연구원은 김용태 박사팀이 에틸렌과 비싼 촉매 없이 온실가스인 이산화탄소와 버려지는 산업 부생가스, 그리고 저렴한 촉매를 활용해 알파올레핀을 만드는 새로운 촉매 공정기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

알파올레핀은 세정제, 윤활유, 화장품, 플라스틱 등을 만드는 데 쓰이는 정밀화학원료다.

알칼리 금속의 추가에 따라 CO와 CO2가 전환되는 반응성을 나타냈다.[사진=한국화학연구원] 2020.11.02 memory4444444@newspim.com

알파올레핀을 첨가해 만든 플라스틱은 일반 플라스틱보다 강도가 높아 특수 플라스틱으로 분류되고,알파올레핀 포함 윤활유는 부식방지 등의 기능이 좋아 최고급 윤활유로 분류된다.

공정 핵심기술은 철광석을 원료로 한 촉매 제조 기술이다. 공정의 화학반응을 단순화하면 크게 이산화탄소가 화학반응을 거쳐 일산화탄소가 되는 과정, 일산화탄소가 또다른 화학반응을 거쳐 알파올레핀이 되는 과정 두 가지다.

이산화탄소에서 일산화탄소가 만들어지는 첫 번째 과정에는 산화철이 촉매로 쓰이고 일산화탄소에서 알파올레핀이 만들어지는 두 번째 과정에는 탄화철(철에 탄소가 결합한 물질)이 촉매로 쓰인다.

연구팀은 공정의 효율화를 위해 두 과정을 한 시스템 안에서 일어날 수 있도록 한 촉매에 산화철과 탄화철을 모두 포함시켰다. 지지체 물질인 산화아연의 표면에 산화철과 탄화철이 균일하게 들어갈 수 있도록 촉매를 만든 것이다.

첫 번째 반응이 일어날 때는 촉매의 산화철 부분이 반응에 관여하고 두 번째 반응이 일어날 때는 탄화철 부분이 반응에 관여한다. 때문에 산화철과 탄화철을 고르게 지지체 표면에 분포시키는 게 관건인데 연구팀은 나트륨을 첨가제로 써서 가능하게 했다.

김용태 박사[사진=한국화학연구원] 2020.11.02 memory4444444@newspim.com

연구책임자인 김용태 박사는 "개발 공정은 온실가스인 이산화탄소와 산업 부생가스를 모두 활용해서 국내 온실가스 저감에 큰 도움이 될 것"이라며 "향후 상용화되면 온실가스 감축과 수입대체 효과를 모두 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 내년까지 미니 파일럿 운전을 통해 일당 1kg 알파올레핀 생산을 검증할 계획"이라고 말했다.

양선규 연구원(제1저자)은 "지금까지 알파올레핀을 만드는 공정 연구는 대부분 일산화탄소에서 알파올레핀을 만드는 두 번째 반응에 치중돼 있었다"며 "이산화탄소를 전환해서 알파올레핀을 만드는 연구는 정교하게 진행되지 않았다. 이번 연구는 이산화탄소를 처리해야 하는 기업에게 방향성을 제시할 것"이라고 했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단 차세대 탄소자원화 연구단의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아 촉매 부문 최고 권위지인 '미국 화학회 촉매지(ACS Catalysis)' 9월호에 게재됐다.

연구진이 개발한 철-산화아연 촉매[사진=한국화학연구원] 2020.11.02 memory4444444@newspim.com

알파올레핀은 특수산업에 널리 응용될 수 있어서 전 세계 연간 400만t 수준의 시장규모를 갖고 있다. 이중 우리나라 시장규모도 연간 약 10만t에 달한다.

기존에 알파올레핀을 만들기 위해서는 에틸렌을 원료로 하는 까다로운 공정 기술이 필요했다. 석유의 나프타 분해 또는 셰일가스의 에탄 분해를 통해 얻은 에틸렌을 고순도로 정제해야 하고 비싼 금속이 들어간 촉매를 만들어야 하며, 극소량의 불순물도 반드시 제거해야 했다. 해외 기업이 원천기술 및 통합공정 특허를 갖고 있어 알파올레핀은 지금까지 전량 수입에 의존해왔다.

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