보도자료

2024. 8.23.(금)부터 보도해 주시기 바랍니다.

버려지던 부생가스, 고부가가치 ‘알데하이드’로 탈바꿈

UNIST 안광진 교수 공동연구팀, 로듐 촉매 개발… 알데하이드 생산 성공
산업 폐기물 재활용, 고부가가치 화학소재·제품 자립화 기대

UNIST 연구팀이 부생가스를 활용해 고부가가치 알데하이드를 생산하는 기술을 개발했다. 화학소재의 해외 의존도를 줄이고, 공급망 위기에도 안정적으로 대응할 수 있어 국내 화학 산업 자립화에 중요한 역할을 할 전망이다.

UNIST(총장 박종래) 에너지화학공학과 안광진 교수팀·서울대 한정우 교수팀은 한국에너지기술연구원과 협력해 성능이 뛰어난 로듐 기반 촉매를 개발했다. 이 촉매는 부생가스에 포함된 올레핀을 고부가가치 알데하이드로 효율적으로 전환한다. 올레핀은 이중결합을 갖는 불포화 탄화수소 화합물로, 파라핀과 함께 화학산업에서 중요한 원료로 사용된다.

연구팀은 폐기되던 부생가스를 재활용할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이산화탄소를 수소와 결합해 연료로 바꾸는 과정에서 발생하는 부생가스를 고부가가치 제품으로 변환하는 기술도 함께 개발한 것이다.

로듐 촉매의 성능을 높이기 위해 산화세륨을 도입해 촉매의 화학적 성질을 개선했다. 연구팀은 기존 기술과 견줄만한 높은 반응 성능을 가진 비균질계 촉매를 사용해 부생가스에 포함된 올레핀을 알데하이드라는 고부가가치 화학물질로 성공적으로 전환한 것이다.

부생가스는 합성가스를 액체로 전환하는 화학 반응에서 나오는 부산물로, 그동안 크게 주목받지 못했다. 연구팀이 개발한 로듐 촉매는 크기를 줄이고 분산성을 높여 재사용이 가능하면서도 성능이 크게 향상돼, 부생가스의 산업적 가치를 새롭게 평가할 수 있게 됐다.

안광진 교수는 “이 기술이 화학 반응 부산물의 가치를 높이는 데 중요한 역할을 할 것”이라며, “이산화탄소를 연료로 전환해 환경을 보호하는 기술에도 적용될 수 있다”고 설명했다. 한정우 서울대 교수는 “이번 연구로 개발된 촉매가 로듐의 효율성과 안정성을 극대화했다”고 평가했다.

연구는 산업통상자원부와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다.

(논문명: Atomically dispersed Rh catalysts formed on defective CeO2 surfaces with hydroformylation activity)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

에너지화학공학과: 안광진 교수(052)217-2586

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

지난 수년간, 화학 소재의 해외 의존도를 낮추기 위해 LAO와 같은 고부가가치 화학소재의 생산 자립화 기술에 대한 필요성이 증가해왔습니다. LAO 생산을 위한 FT 반응에서는 다양한 탄화수소 생성물이 합성되는데, 이때 필연적으로 생성되는 부생가스를 업그레이드하기 위한 방안 중 한가지로 하이드로포밀화 반응을 고려할 수 있습니다. 하이드로포밀화 반응은 올레핀에 합성가스를 첨가하여 알데하이드를 합성하는 반응이지만, 현재까지는 주로 균질계 촉매를 이용하여 수행되었습니다. 균질계 촉매는 높은 활성 및 선택성을 지닌다는 장점이 있지만, 촉매의 재사용 및 회수에 한계가 있습니다. 따라서 기존 균질계 촉매를 안정적인 비균질계 촉매로 대체하기 위해서는 균질계 촉매의 반응 활성에 견줄만한 높은 활성을 지닌 촉매 개발이 필요합니다.

2. 연구내용

본 연구는 로듐 기반 비균질계 촉매를 활용하여 효과적인 하이드로포밀화 반응 활성을 이끌어내고자 하였습니다. 비균질계 촉매의 지지체로 널리 활용되는 산화알루미늄(Al2O3) 표면에 로듐을 분산한 촉매는 균질계 촉매인 Wilkinson 촉매에 비해 현저히 낮은 촉매 활성을 보입니다. 본 연구팀은 이러한 산화알루미늄에 분산된 로듐 촉매의 반응 활성을 증가시키기 위해 산화세륨(CeO2)을 도입하였습니다. 이후 환원 전처리를 진행한 촉매의 프로필렌 하이드로포밀화 반응 결과, 균질계 촉매의 반응 활성과 견줄만한 높은 촉매 활성을 나타남을 확인하였습니다. 이러한 높은 촉매 활성은 도입한 산화세륨에 존재하는 산소 공극 및 그에 따른 로듐으로의 전하 이동으로 인해 로듐의 화학적/전하적 성질이 조절되었기 때문임을 연구를 통해 입증하였습니다. 또한 연구의 본 목적이었던 부생가스 내 존재하는 올레핀을 보다 고부가가치의 알데하이드로 전환하기 위해 실제 부생가스 환경을 모사한 혼합가스 실험을 진행하였습니다. 그 결과, 혼합가스 내 존재하는 올레핀만 선택적으로 알데하이드로 모두 전환되었음을 실험을 통해 확인하였습니다.

3. 기대효과

본 연구는 화학소재 자립 기술 확보를 위해 LAO를 합성하는 과정에서 필연적으로 생성되는 부생가스를 고부가가치의 알데하이드로 전환할 수 있다는 점을 입증하였습니다. 이렇게 생성된 알데하이드는 다양한 화학 산업에 필수적인 중요한 물질일 뿐만 아니라, 연속적인 수소화 및 탈수화를 거쳐 다시 LAO까지 합성이 가능한 잠재력 또한 존재합니다. 또한, 하이드로포밀 반응을 거치게 되면 부생가스 내 올레핀은 알데하이드가 되어 액상으로 전환되지만 파라핀은 여전히 기체 상으로 존재하기에 부생가스 내 올레핀/파라핀 분리를 위한 반응으로 활용될 수 있다는 가능성 또한 존재합니다. 이러한 성과는 높은 반응 활성을 지닌 비균질계 로듐 촉매를 개발하였기에 가능했으며, 이는 추후 폐플라스틱 등으로부터 생성된 폐가스 속 올레핀을 고부가가치의 알데하이드로 전환할 수 있는 기술로 성장할 것으로 기대됩니다. 본 연구에서 수행한 FT 반응의 부산물은 이산화탄소 직접전환 반응에서도 같은 형태로 배출됩니다. 따라서 개발된 균질계 로듐기반 하이드로포밀화 촉매는 향후 CCUS 기술의 효율과 경제성을 높이는데에도 이용될 수 있습니다. 따라서 이산화탄소를 전환하는 촉매반응과 연계하여, 액체연료, 플라스틱 첨가제, 방향족 화합물 등 기존 석유화학기반의 화학물질을 이산화탄소로부터 생성하는 탄소중립 대체 기술로 본 기술이 응용될 수 있습니다.

[용어설명]

1. 올레핀 및 파라핀 (Olefin and Parrafin)

올레핀이랑 이중결합을 갖는(불포화) 탄화수소 화합물을 지칭하며, 파라핀은 모든 탄소결합이 단일결합으로 구성된(포화) 탄화수소 화합물을 의미한다.

2. 피셔-트롭쉬 반응 (Fisher-Tropsch, FT 반응)

피셔-트롭쉬 반응은 일산화탄소 및 수소의 혼합물인 합성가스를 액체 탄화수소 화합물로 전환하는 촉매 반응입니다. 고온(200-300도)과 고압(10-40기압)의 반응 조건이 필요하며 반응 후에는 올레핀과 파라핀을 비롯한 알코올, 왁스 등의 다양한 탄화수소 혼합물이 생성됩니다.