::: IUCHEM :::
 


총 게시물 177건, 최근 0 건 안내 글쓰기
이전글  다음글  목록 글쓰기

수소화 반응, 상온의 화학공정에서도 가능

글쓴이 : 아이유캠 날짜 : 2020-07-24 (금) 13:57

화학산업 필수기술 수소화 반응 상온에서도 가능


메인.png

<새로 개발한 금속유기골격체(MOF·Metal-Organic Framework) 촉매의 반응을 통해 상온에서 바이오매스인 퍼류랄(Furfural)을 화학원료인 퍼류릴 알콜(furfuryl alcohol)로 전환하는 것을 나타낸 그림이다. 연구진은 MOF 촉매의 표면을 알코올로 활성화하여 촉매의 안정성을 향상하고, 반응 활성 자리를 증가시켰다. 그 결과, 수소화 반응의 활성화 에너지를 낮춰 30℃ 이하의 상온에서도 바이오매스로부터 화학원료를 손쉽게 생산할 수 있게 됐다.>

 

화학산업의 필수기술인 수소화 반응(수소 첨가 화학반응)이 상온에서도 가능해졌다. 고온 조건이 아니어도 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 수소화 반응을 일으키는 촉매기술이 개발된 것이다.
상온에서의 반응은 화학 공정에서 매우 어려운 일이다. 그동안 에너지가 많이 소모되는 고온이 아닌 상온에서 수소화 반응을 일으키려는 시도가 있었지만, 고압의 수소가스를 사용하거나 고가의 귀금속 촉매를 이용한 것이었다. 새로운 방법은 온도를 높이기 위해 에너지를 쓰지 않아도 돼 온실가스를 줄이는 효과까지 있다.
또한 수소화 반응에서 일어나는 수소 전달 메커니즘도 새롭게 밝혀졌다. 수소는 촉매를 거쳐 반응물에 전달되는데, 이때 수소가 촉매와 반응물의 여섯 자리를 거쳐 전달된다는 게 학계의 정설이었다. 이를 6각링 전이상태라고 한다.

 

온 30℃에 반응하는 촉매 개발…
온실가스 감소 효과 기대

 

실제로는 8각링 전이상태, 즉 수소가 촉매와 반응물의 여덟 자리를 거쳐 전달되는 것으로 밝혀졌다. 수소화 반응이 석유화학·정밀화학공정 등에 폭넓게 쓰이고 있는 만큼 촉매연구에 새로운 대안을 제시했다는 평가다.
한국화학연구원 화학공정연구본부 황영규 본부장과 울산대 정재훈 교수 공동 연구팀은 이 같은 수소화 반응 촉매 연구결과를 세계적인 촉매 분야 권위지인 ‘미국 화학회 촉매(ACS Catalysis)’ 3월호에 표지논문으로 발표했다.
한국화학연구원 황영규 본부장은 “수소 전달 과정의 전이상태 중간체가 밝혀졌기 때문에 이를 바탕으로 한 새로운 촉매 반응경로 연구 등이 활발하게 이뤄질 것”이라며 “석유화학과 정밀화학, 바이오화학 공정 등에 미치는 영향이 클 것”으로 내다봤다.
수소화 반응은 액상수소원과 반응물을 촉매에 함께 넣으면, 수소가 촉매를 거쳐 반응물에 전달돼 반응이 이뤄져, 새로운 생성물을 얻는 화학반응이다. 플라스틱·연료·섬유·고무 등을 생산하는 석유화학공정의 중간체, 의약품·화장품 등을 생산하는 정밀화학공정의 중간체, 바이오 화학공정의 바이오매스를 합성하는 데 널리 쓰인다. 화학산업에서 없어서는 안 될 기술인 셈이다.
일반적으로 수소화 반응은 100℃ 이상의 고온에서 이뤄지는데, 고온으로 높이기 위해 에너지가 많이 소모되고 온실가스를 배출해 상온으로 낮추기 위한 연구가 이어졌다. 하지만 상온에서의 수소화 반응은 경제성이 떨어지는 게 문제였다. 팔라듐과 플래티늄 등 값비싼 귀금속 촉매를 써야 하기 때문이다.
한국화학연구원 연구진은 금속유기골격체(MOF·Metal Organic Framework) 촉매에 알코올을 넣고 단순 가열하는 간단한 방법으로 이 문제들을 한꺼번에 해결했다. MOF 촉매에 알코올을 넣고 끓이자 MOF의 지르코늄 산화물 부분에 활성점(반응하는 자리)이 생겼다. 이렇게 반응 자리가 늘어나자 촉매 표면이 활성화되고, 활성 에너지를 낮춰 상온 30℃에서도 쉽게 수소화 반응이 이뤄진 것이다.

 

수소 전달 메커니즘도 새롭게 규명…
촉매 연구 대안 제시

 

연구진은 신형 MOF 촉매를 이용해 상온에서 바이오매스 ‘퍼퓨랄(Furfural)’을 화학원료 ‘퍼퓨릴 알코올(Furfuryl alcohol)’로 전환하는 데 성공했다. 이러한 방식으로 석유화학공정과 바이오화학공정 등의 중간체 7종을 만드는 데 성공했고, 신형 MOF 촉매가 상온에서 작동하는 것을 확인했다.
이에 따라 지금까지 화학공정에서 골칫거리로 취급받던 폐열을 반응열로 활용할 수 있게 됐다. 석유화학공정 등에서 발생하는 폐열은 보통 80℃ 이상인데, 환경에 미치는 영향을 감안하여 냉각수로 식혀 40℃ 이하로 떨어뜨린 후 공기 중으로 배출하는 경우가 많다. 냉각수로 식힌 폐열을 새로운 수소화 반응의 반응열로 활용하게 되면 폐열 재활용은 물론이고, 온실가스 감소에도 기여할 것으로 기대된다.
한국화학연구원 연구진은 수소 전달 메커니즘도 새로 규명했다. 실제 실험과 계산과학을 통해 수소화 반응이 촉매와 반응물의 6각링 전이상태를 거치는 게 아니라, 8각링 전이상태를 거쳐 진행된다는 것을 밝혀낸 것이다.
지난 10년간 연구자들은 미국 위스콘신대 화학생물공학과 듀메식(James A. Dumesic) 교수가 설명한 6각링 전이상태를 바탕으로 촉매를 만들어왔다. 지금까지 전이상태를 잘못 알고 있던 것이다.
이 같은 연구성과는 촉매 분야 권위지인 ‘미국 화학회 촉매(ACS Catalysis(IF:12.221))’ 3월호에 ‘금속유기골격체의 표면 기능화를 통한 퍼퓨랄로부터 퍼퓨릴 알코올로의 이동 수소화 상온 반응연구 (Catalytic Transfer Hydrogenation of Furfural to Furfuryl Alcohol under Mild Conditions over Zr-MOFs: Exploring the Role of Metal Node Coordination and Modification)’라는 제목의 논문으로 게재됐다.

 

 


hi
이전글  다음글  목록 글쓰기