KAIST 백무현 부연구단장팀

대표적 온실가스 중 하나로 꼽히는 메탄가스를 다양한 화학산업 원료로 활용할 수 있도록 촉매반응으로 분해하는 기술을 한국과 미국 공동 연구진이 개발해 주목을 받고 있다.

기초과학연구원(IBS)은 지난 3월 25일 분자활성 촉매반응 연구단 백무현 부연구단장(KAIST 화학과 교수)팀이 촉매반응과 합성이 까다로운 메탄가스(CH4)의 화학적 분해에 성공했다고 밝혔다.

메탄가스는 탄화수소 물질중 하나로 매년 5억톤 이상이 발생하며 그 발생량 또한 증가세에 있다. 또한 경제성도 없어 일반적으로 원유생산지에서 태우게 되며 이때 나오는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 또한 환경오염의 주범으로 지목됐다. 특히 탄화수소는 화학공업에서 가장 중요한 물질중 하나로 탄화수소 혼합물의 활용성은 높은 편이지만 메탄가스는 탄소-수소 결합이 강해 활용이 어려웠다. 상온에서 기체 상태인 메탄가스를 액화시키려면 고압과 온도가 필요하지만 이 과정에서 소요되는 비용의 부담이 컸기 때문이다.

이에 연구팀은 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라 교수 그룹, 미국 미시간 주립 대학의 밀턴 스미스 교수 그룹과 공동으로 전이금속인 이리듐을 활용한 붕소화 촉매반응을 개발, 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 화학반응을 활성화하는 과정을 이론과 실험으로 증명했다.

기존 연구에서 메탄의 탄소-수소 결합을 끊어 화학적으로 활성화 반응 생산율은 2~3%에 머물러 사실상 불가능에 가까운 화학반응으로 간주됐지만 연구팀은 전이금속인 이리듐을 활용한 붕소화 촉매반응으로 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 메탄기(CH3)에 붕소(B)를 결합, 활성화 생성물의 생산율을 52%까지 끌어올렸다.

연구팀이 촉매반응으로 만든 탄소-수소 결합 활성화물은 어떤 분자와 반응시키느냐에 따라 석유화학산업 등에 다양하게 활용될 수 있다. 예를 들어 물을 더하면 메탄올이 되고 다른 화학 합성물질과 반응시키면 플라스틱, 의약품, 의류 등 화학제품의 원료로도 사용할 수 있다.

이 연구에서 백 부단장은 계산화학으로 메탄의 탄소-수소 결합을 끊고 붕소를 결합하는 효율이 높은 이리듐 촉매 후보물질을 예측하고 반응 메커니즘을 규명했다. 아울러 미국 연구진은 백 부단장의 연

구를 토대로 이리듐 붕소화 촉매를 만들고 메탄가스 분해 실험을 통해 이 촉매반응의 효율성을 입증했다.

백 부단장은 “분해가 어려운 메탄가스로 촉매 화학반응을 일으키는 것은 화학자들에게 오랜 꿈과 같았는데 미국에 있는 절친한 동료 대니얼 민디올라 교수와 계산화학과 실험화학의 공동연구가 잘 이뤄져 좋은 결과를 낼 수 있었다”고 말했다. 이어 “이 연구를 실용화하기 위해 비싼 붕소와 이리듐을 대체할 유기금속촉매를 개발하고 효율성 높은 촉매를 설계하는 등 후속 연구에 힘을 쏟을 것”이라고 덧붙였다.