나노기술 및 정책 정보

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국내 연구진이 나노다공성 제올라이트를 이용해 백금과 희토류 금속이 결합한 고효율 촉매를 제작, 석유화학산업의 중요 소재 중 하나인 프로필렌 생산효율을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했음.

한국과학기술원(KAIST) 화학과 유룡 교수팀은 10일 메조당공성 제올라이트(mesoporous zeolite)를 지지체로 사용해 지금까지 불가능하다고 여겨왔던 백금-희토류 합금 나노입자 촉매를 만드는 데 성공했다고 밝혔음.

이 백금-희토류 합금 나노입자 촉매는 현재 프로필렌 생산에 사용되고 있는 기존 상용촉매(백금주석/알루미나. PtSn/Alumina)보다 촉매 수명이 약 20배 이상 향상된 것으로 나타났다고 연구팀은 설명했음.

탄소(C) 3개와 수소(H) 6개가 결합된 프로필렌은 플라스틱이나 화합물 재료가 되는 중요 소재임. 원유의 경질나프타 열분해공정에서 주로 생산되는데, 최근 셰일가스 생산이 증가하면서 셰일가스에 다량 포함된 프로판을 프로필렌으로 전환하는 프로판탈수소화 공정이 증가하고 있음.

하지만 현재 프로판탈수소화 공정에 사용되는 상용 촉매는 독성과 빠른 비활성화에 따른 짧은 수명 등 문제가 있어 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있음.

기존 상용촉매 중 '크로뮴옥사이드/알루미늄옥사이드'는 크로뮴의 독성 때문에 사용이 꺼려지고 있으며, '백금주석/알루미나' 촉매는 프로판 전환율과 프로필렌 선택도는 높지만 반응 중에 탄소 부산물 때문에 빠르게 비활성화되는 단점이 있음.

연구팀은 이 연구에서 0.55㎚(나노미터=10억분의 1ｍ) 크기의 작은 구멍들이 3차원으로 균일하게 연결된 구조를 가진 메조다공성 제올라이트를 지지체로 사용해 백금과 희토류가 결합한 나노입자 촉매를 만드는 데 처음으로 성공했음.

희토류 산화물은 매우 안정된 구조여서 고온의 수소 처리를 해도 환원 반응이 잘 일어나지 않아 백금과 합금을 형성하는 것이 불가능한 것으로 여겨져 왔음.

하지만 연구팀이 지지체로 사용한 메조다공성 제올라이트의 표면에는 곳곳에 규소(Si) 원자가 빠지면서 생긴 '실란올 네스트'(Silanol nest)라는 공공결함(framework defects)이 있는데, 이곳에서는 희토류 산화물이 단원자 형상의 희토류 금속으로 존재해 수소 열처리 과정에서 백금과 일정한 구조를 갖는 합금을 형성하는 것으로 나타났음.

연구팀이 백금과 란타늄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce) 등 희토류 금속으로 백금-희토류 합금 나노입자 촉매를 만들어 프로판탈수소화 반응 실험을 한 결과 촉매 수명이 백금만 사용했을 때보다는 500배 이상, 기존 상용촉매(백금주석/알루미나)보다는 20배 이상 연장되는 것으로 확인됐음.

이 연구 결과를 실제 산업에 적용하기 위해서 비활성화된 촉매에 대한 적절한 재활성화 방법을 개발하고, 생산단가가 높은 편인 메조다공성 제올라이트의 생산단가가 낮추는 것도 중요하다고 설명했음.

유룡 교수는 "셰일가스 생산이 증가하면서 여기에 다량 포함된 프로판에서 프로필렌을 생산하는 것이 더욱 중요해질 것"이라며 "백금-희토류 합금 나노입자 촉매가 프로필렌 생산효율을 높이는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했음.

본 연구 성과는 ‘Nature’ 지에 게재됨.