^*이 보도자료는 한국연구재단 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

[붙임] 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

• 논문명: SiO2@V2O5@Al2O3 Core-Shell Catalysts with High Activity and Stability for Methane Oxidation to Formaldehyde
• 저  자: 안광진 교수(교신저자, 울산과학기술원), 박은덕 교수(교신저자, 아주대), 곽자훈 교수(울산과학기술원), 정윤석 교수(한양대), 양의섭(제1저자, 울산과학기술원), 이준경(울산과학기술원), 김동현(울산과학기술원)

1. 연구배경

○ 현재 산업적, 환경적, 에너지 분야에서 주요 이슈가 되고 있는 것은 천연가스에 풍부한 메탄을 이용하여 자원화 하는 것이다. 천연가스 성분의 대부분을 차지하는 메탄(88%)은 매장량에 비해 난방용, 수용용 연료 외에는 활용가치가 뛰어나지 않아 이를 이용한 기술은 대단히 중요한 가치를 지닌다. 특히, 미국의 셰일가스 기술이 혁명적으로 발전함에 따라 셰일가스의 주요성분인 메탄을 고부가가치의 제품으로 변환시키는 기술은 미래의 에너지 및 환경시장을 좌우할 중대한 기술이다.

○ 그럼에도 불구하고, 메탄의 4개의 강한 탄소-수소(C-H) 결합(결합 에너지=413kJ/mol)은 메탄을 유용한 화학물질로 전환하는데 큰 장벽이다. 특히 완전산화반응에 의한 이산화탄소의 생성을 피하고 고부가가치의 화학물질을 생성하기 위한 메탄의 부분산화반응은 굉장히 중요한데 여전히 도전적인 과제로 남아있다.

○ 포름알데히드는 기능성 고분자, 살균제, 방부제 등의 원료로 광범위하게 이용된다. 메탄으로부터 포름알데히드를 생성하기 위해서는 강한 탄소-수소 결합을 끊기 위해 600도 이상의 온도를 필요로 하며, 포름알데히드를 생성하기 위한 최적의 촉매는 산화바나듐(V₂O₅)과 산화몰리브덴(MoO₃)으로 알려져 있다. 그러나 포름알데히드는 일산화탄소와 물로, 또는 이산화탄소 및 물로 산화될 가능성이 높다. 이러한 이유로, 메탄의 부분산화는 아직까지 도전적인 반응이며, 현재 문헌상에 알려진 메탄의 포름알데히드로의 전환율은 600도 온도에서 10% 미만이다.

○ 따라서 고온에 안정적이며, 메탄을 부분 산화하여 생성되는 포름 알데히드의 전환율을 증가시킬 수 있는 촉매의 개발이 시급한 실정이다.

2. 연구내용

○ 이번에 개발된 촉매는 얇은 알루미나 막에 둘러싸인 산화바나듐 나노입자로 이루어진 코어-쉘(core-shell)* 형태를 가지고 있어, 내부 촉매 나노입자의 응집 및 구조적인 변형을 효과적으로 막아주어 600도 이상의 고온 촉매반응에서 열적 안정성이 우수하며 촉매반응성이 안정하게 유지되는 효과가 있다.

* 코어-쉘(core-shell) 구조 : 알맹이와 이를 감싸는 껍데기로 이루어진 구조로 껍데기가 알맹이를 보호해주면서 안전하게 유지시켜주는 역할을 한다.

○ 수열합성방법으로 균일한 마이크로 실리카 입자 표면에 산화바나듐 나노입자를 붙인다. 이에 원자증착방법을 이용해서 얇은 알루미나 박막을 구형 입자에 입히는데, 이 알루미나는 산화바나듐을 고온 촉매반응에도 구조가 무너지지 않게 보호하는 역할을 하며, 바나듐에 알루미늄 원자의 결합을 유도하여, 촉매 물성을 향상시키는 역할도 같이 한다.

○ 연구단에서 실행한 촉매 반응 테스트 결과 알루미나 껍질이 없는 산화바나듐 나노입자는 고온 촉매 반응 (600도 메탄산화반응) 후 그 구조가 망가지고, 촉매활성도 쉽게 잃지만, 알루미나 껍질이 생성된 코어-쉘 형태의 나노촉매는 우수한 고온 안정성과 촉매 반응성을 나타내었다.

○ 기존 촉매물질은 촉매의 핵심작용을 하는 산화바나듐을 최대한 고르게 분산하여 고온 촉매 반응에서 입자들이 뭉치는 현상을 억제하는 데 주안점을 두었는데, 이 연구에서는 나노입자 위에 원자층으로 껍질을 씌우는 새로운 구조를 통해 열적 안정성과 반응성을 동시에 향상시켰다.

○ 메탄에서 포름알데히드로 변환시키는 기존의 촉매반응은 10% 미만의 낮은 반응성을 보이는데, 이번에 개발된 기술은 기존 한계를 뛰어넘어 22% 이상의 높은 효율을 갖는 안정한 메탄산화체 촉매 개발 기술로써, 천연가스 활용기술 분야에서 크게 활용될 수 있을 전망이다.

3. 연구성과/기대효과

○ 안광진 교수는 “이 연구는 메탄이 가지는 안정한 화학구조로 인해 까다롭게만 여겨졌던 촉매반응기술에서 나노기술을 도입한 새로운 촉매개발성과로 메탄을 고부가가치의 화학물질로 변환하는 촉매공정의 효율과 안정성을 획기적으로 확장시킨 기술이”라며, ”풍부한 메탄자원을 활용하는 차대세 에너지기술로 가치가 높다”라고 연구의 의의를 설명했다.

○ 안광진 교수는 “이 연구는 풍부한 천연자원을 고부가가치의 화학제품으로 변환할 수 있는 핵심 촉매기술을 개발한 것이다”라고 연구의 의의를 설명하며, ”향후 실험실 스케일의 성과를 크게 확장하여 산업적으로 구현할 수 있도록 촉매제조기술과 촉매공정프로세스를 확장할 계획이다“라고 후속연구 계획을 밝혔다.

○ 메탄에서 포름알데히드로 변환시키는 촉매기술은 1987년에 미국에서 개발되어 특허로 등록된 이래 큰 진전이 없었던 고난이도 기술이었는데 이번에 30년 만에 그 한계를 뛰어넘는 고효율 촉매기술이 개발되어, 앞으로 에너지 강국으로 발돋움할 수 있는 핵심 기술력을 확보하게 되었다.

[붙임] 그림 설명

[붙임] 연구 이야기

1. 연구를 시작한 계기나 배경은?

현재 에너지 산업은 크게 두 가지 이슈가 있는데, 첫째는 석유화학의 의존도를 낮추는 신재생에너지를 개발하는 것이고, 두 번째는 온실가스의 주범인 이산화탄소를 저감하는 것이다. 우리나라도 이에 발맞추어 이산화탄소를 저감하면서 새로운 에너지원을 찾는데 연구력을 집중하고 있는데, 화학산업에 종사하는 연구자들은 태양, 수소, 풍력 등을 이용하는 신재생에너지 혹은 이산화탄소를 변환하여 연료 혹은 화학제품을 만드는 기술에 사활을 걸고 있다. 이 중 이산화탄소 혹은 메탄 등은 자연에 풍부한데 반해 안정한 화학구조로 인해 다른 물질로 변환하기 힘들기 때문에 촉매기술을 이용하여 화학전환을 유도하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 이러한 환경 및 에너지, 그리고 인류가 직면한 과제를 해결하기 위하여 한국연구재단에서는 C1가스리파이너리 사업단을 출범하여, 생물학적 혹은 화학적 방법을 포괄한 다양한 기술로 탄소자원화 기술을 개발하고 있고, 연구팀은 이 과제를 기반으로 메탄산화체 개발에 몰두하였다.

2. 연구 전개 과정에 대한 소개

메탄을 변환하는 촉매기술은 안정한 메탄을 불안정한 화학물질로 바꾸는 방법이기 때문에 반응공정이 까다롭고, 높은 반응조건에서 촉매가 망가지는 현상이 나타나는 등을 해결해야하는 난해한 기술이다. 이를 극복하기 위해 기존의 촉매합성 및 반응공정에 나노기술을 도입하여, 고온에서 안정하며, 반응성이 저해되지 않는 물질을 개발하는데 이르게 되었다.

3. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

연구하면서 가장 힘들었던 부분은 국가연구과제가 난해한 기술을 극복하는 과제를 수행함에도 주기적인 보고서를 요구하기 때문에 연구도중 실패한 결과를 계속 접하게 될 때 겪는 스트레스가 상당히 힘들었다.

4. 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 촉매는 활성종을 담체가 가장 작게 고르게 분산시켜 활성 및 고온안정성을 유지시키는 형태인데, 이 연구에서는 나노입자의 구조를 슬기롭게 디자인함으로써 우수한 성능의 촉매를 개발하였다. 이는 기존의 10% 미만인 메탄전환율보다 훨씬 높은 22% 이상의 전환율을 달성하게 하였다.

5. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이 연구는 풍부한 천연자원을 고부가가치의 화학제품으로 변환할 수 있는 핵심 촉매기술을 개발한 것으로 풍부한 메탄자원을 활용하는 차대세 에너지기술로 그 가치가 높다.

6. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

촉매 기술이 국가산업에 끼치는 영향이 상당히 큰데, 대한민국 화학산업에 크게 이바지 할 수 있는 실제적인 기술을 지속적으로 개발하고 싶다.

7. 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이 연구를 개발한 이후 특허등록을 진행하면서 선행 특허기술을 조사하였는데 놀랍게도 1987년에 미국에서 개발되어 특허 출원된 이후 메탄으로부터 포름알데히드를 얻는 촉매개발에 대한 향상된 특허기술을 거의 찾을 수 없었다. 그 만큼 기술적 진전이 없었던 고난이도 기술라는 방증이기도 한데, 이번에 30년 만에 그 한계를 뛰어넘는 고효율 촉매기술이 개발되어, 앞으로 에너지 강국으로 발돋움할 수 있는 핵심 기술력을 확보하게 된 계기를 마련한 것이 큰 소득이다.