화학자들 ‘친환경 촉매’ 개발 붐

제올라이트, 나프타 분해때 CO₂ 발생량 20% 줄여
니켈-코발트, 인공광합성에 이용 CO₂ 를 메탄올로

인공광합성연구센터가 구상하는 시스템은 물이 분해되는 층과 유기화합물(메탄올)이 만들어지는 층이 막을 사이에 두고 교대로 배열된 구조다. 일러스트레이션 유한진 동아사이언스 기자

탄화수소분자의 혼합물인 나프타를 분해해 플라스틱 원료인 에틸렌(탄소 2개)과 프로필렌(탄소 3개)을 얻는다. 제올라이트는 나프타가 쉽게 분해될 수 있게 도와주는 촉매다. 한국화학연구원 제공

“어이쿠!”

“촉매가 바닥에 좀 떨어졌네요. 입자 지름이 머리카락 두께 정도밖에 안 되지만 공 형태라 미끄럽습니다. 조심하세요.”

대전 한국화학연구원 그린(녹색)화학연구단 박용기 박사의 안내로 새로운 나프타분해공정 설비를 둘러보던 기자는 하마터면 미끄러져 엉덩방아를 찧을 뻔했다. 바닥을 보니 밀가루처럼 하얀 가루가 흩어져 있다.

나프타란 원유에서 정제한, 탄소 5∼7개로 이뤄진 탄화수소 혼합물로 이를 분해해 에틸렌(탄소 2개)이나 프로필렌(탄소 3개) 같은 플라스틱 원료를 얻는다. 나프타를 섭씨 1000도 가까운 뜨거운 통 속에 넣으면 ‘열 받은’ 분자가 스스로 쪼개진다. 이를 ‘열분해’ 공정이라고 부른다. 이런 식으로 만들다 보니 에틸렌이나 프로필렌 100t을 얻는 데 석유 40t이 소모된다. 따라서 발생하는 이산화탄소 양도 엄청나다.

“저희는 제올라이트 촉매를 이용해 좀 더 낮은 온도인 650도에서 나프타 분해가 일어나는 공정을 개발했습니다. 그 결과 이산화탄소 발생량을 20% 줄일 수 있었죠.”

기화된 나프타 분자가 제올라이트 촉매를 통과할 때 표면에 달라붙는데 이때 분해반응이 일어난다. 박 박사는 “제올라이트의 성분과 구조를 바꿔가며 최적의 조합을 찾았다”며 “그 결과 650도에서 장시간 버틸 수 있을 정도로 안정되면서도 활성을 유지하는 촉매를 개발했다”고 말했다.

○ 인공 광합성 꿈꾼다

“태양에너지를 이용해 유용한 화합물을 만들면서 온실기체인 이산화탄소도 줄일 수 있는 방법이 바로 광합성이죠.”

서강대 화학과 강영수 교수는 요즘 인공광합성 연구에 ‘다걸기’했다. 강 교수는 지난해 문을 연 ‘인공광합성연구센터’의 부소장을 맡고 있다. 인공광합성이란 자연의 광합성과 비슷하게 햇빛을 이용해 물, 이산화탄소로 유기화합물을 만드는 과정이다.

인공광합성은 빛에너지로 물분자를 쪼개 전자와 양성자(수소이온)를 얻는 1단계, 전자와 양성자를 옮기는 운반체를 만드는 2단계, 운반된 전자와 양성자에 이산화탄소를 반응시켜 화합물을 얻는 3단계로 이뤄진다. 1단계 연구에 참여하고 있는 경북대 에너지공학부 박현웅 교수팀은 철산화물처럼 빛을 흡수하는 산화물반도체에 물분자를 분해하는 반응이 쉽게 일어나게 하는 촉매를 붙인 시스템을 개발하고 있다.

서강대 화학과 신운섭 교수팀은 이렇게 얻은 전자와 양성자에 이산화탄소를 더해 메탄올 같은 유기화합물을 만드는 3단계 연구를 진행하고 있다. 여기서도 관건은 역시 촉매다. 연구팀은 니켈화합물과 구리화합물을 기반으로 한 촉매를 개발하고 있다. 신 교수는 “태양에너지에서 유기화합물을 만드는 데까지 효율이 1%만 돼도 상용화가 가능하다”며 “현재는 0.1%도 안 되는 수준이지만 이제 막 시작한 분야이므로 미래는 밝다”고 말했다.

대전=강석기 동아사이언스 기자 sukki@donga.com　

::녹색화학(Green Chemistry)::
1991년 미국 환경보호국(EPA)에 근무하던 화학자 폴 아나스타스 박사(당시 28세)가 화학이 환경오염의 주범에서 벗어나 더욱 안전하고 깨끗하고 에너지 효율적인 방향으로 패러다임을 전환해야 한다며 만들어낸 용어다.

::제올라이트::
규소나 알루미늄 산화물이 다공성 구조를 이루고 있는 물질로 표면적이 매우 넓다.