나노기술 및 정책 정보

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[중국] 중국과학원 다롄 화학물리연구소, 나노탄소촉매 연구

□ 주요 내용

○ 중국은 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 생산 및 소모 대국으로서 지난 2013년도에 중국은 1,529.5만 톤에 달하는 PVC를 생산하였는데 그 중 75%에 달하는 PVC는 탄화칼슘(Calcium carbide) 방법으로 석탄을 아세틸렌(Acetylene)으로 개발한 다음 다시 염화수은(Mercury chloride)(HgCl2) 촉매 역할 하에서 염화수소 반응 과정을 통해 생산한 PVC에 속한다.

○ 이런 개발 과정에서 대량의 수은이 배출되는 상황이 발생하여 심각한 환경오염을 조성하는 상황이 발생하였다.

○ 지난 2013년 1월 UN은 글로벌 범위에서 수은 배출을 제어하고 감소시키는 국제 공약을 통과시키고 오는 2020년에 수은을 함유한 제품 생산과 수출입을 금지한다고 규정하였다. 이런 규정은 인도, 중국 등 개도국들이 수은 촉매에 기반 하여 PVC를 생산하는데 거대한 압력을 가져다주게 될 것으로 전망된다.

○ 최근 세계적으로 많은 나라와 지역들은 관련 연구를 통해 비(非) 수은 촉매를 개발하여 PVC의 무(無) 수은화 생산을 실현하기 위한 노력을 하였다.

○ 중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 판슈롄(潘秀蓮) 연구원, 바오신허(包信和) 원사(院士)가 주도하는 연구팀은 최근 나노 탄소 촉매 재료에 대한 심층적인 연구를 실행한 기초 상에서 실리콘 카바이드(silicon carbide) 재료에 대한 정밀 제어 처리 과정을 통해 인터페이스 상에서 나노 탄소 구조를 개발하는데 성공하였다.

○ 연구팀은 암모니아화 등 방법을 이용하여 질소 원자가 탄소 구조 중에서의 원 위치 도핑을 실현하게끔 하는데 성공하였다.

○ 연구팀은 실리콘 카바이드 표면에 질소 도핑의 그래핀과 유사한 재료(SiC@N-C)를 형성시켰는데 동 재료는 우수한 직접 촉매의 아세틸렌 염화수소(Acetylene hydrogen chloride) 성능을 보유한 것으로 나타났다.

○ 전통적인 염화수은 촉매 과정과 동일한 재료 주입 대기 속도 조건 하에서 SiC@N-C 촉매 상의 아세틸렌의 편도 전환 비율은 80% 수준에 도달하고 비닐 클로라이드(Vinyl chloride)의 선택성은 98%수준에 달하고 150시간에 달하는 실험을 통해 촉매는 우수한 안전 성능을 나타낸다는 점이 입증되었다.

○ 연구팀의 관련 연구 성과는 지난 4월 22일 연구 성과 보도 형식으로 세계적인 과학전문지 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 최신호에 실렸다(Nature Communications, DOI 10.1038/ncomms4688).

○ 이번 연구는 무 수은 촉매 연구를 위해 중요한 기술 기반을 구축하였으며 최종적으로 PVC의 무 수은화 생산을 위해 혁신적인 루트를 개척하였다.

○ 이번 연구는 국가과학기술부의 '중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)' 비용 및 국가자연과학기금위원회의 '기초과학 연구 프로젝트' 비용 지원을 받아 추진되었다.