국내 연구진이 비산화 메탄(Methane) 직접 전환기술을 개발했다.
한국화학연구원은 탄소자원화연구소 김용태·김석기 박사팀이 이산화탄소(CO2)보다 강력한 온실가스인 메탄을 석유화학의 핵심 연료인 에틸렌(Ethylene)을 비롯해 화학원료, 수소 등으로 99% 전환할 수 있는 비산화 메탄 직접 전환기술을 개발했다고 9월24일 밝혔다.
비산화 메탄 직접 전환기술은 산소와 같은 산화제없이 메탄으로부터 화학원료를 직접 얻는 기술로, 산화 메탄 직접 전환기술에 비해 경제성과 안전성이 높은 것이 특징이다.
하지만, 기술 난이도가 높아 아직 상용화되지 못하고 있으며 중국 다롄(Dalian) 화학물리연구소가 2014년 사이언스지에 관련 논문을 발표한 뒤 사우디 사빅(Sabic)과 공동으로 사업화를 진행하고 있다.
이후 미국 메릴랜드대학교가 2016년, 2019년 중국의 연구결과를 토대로 새로운 반응기를 개발하는 논문을 발표했으나 촉매 합성과 반응활성 재현, 제조법 확립 등 메커니즘까지는 규명하지 못했다.
메탄은 석유화학공정과 셰일가스(Shale Gas)에서 대량으로 나오는 저렴한 가스로 연간 발생량 6억톤 가운데 96%가 난방·발전용 열원으로 사용되고 4%만이 화학원료로 사용되고 있다.
메탄 전환기술은 크게 간접전환과 직접전환으로 구분되며 간접전환은 효율이 낮아 연구자들은 직접전환 상용화에 주력하고 있다.
다만, 메탄 직접전환 과정에는 메틸 라디칼 제어를 위해 산소를 투입하는 방법이 사용되나 후처리 공정비용이 많이 들고 효율성도 떨어지는 문제가 있다.
화학연구원은 1000도 이상의 고온에서 산화제 없이 메틸 라디칼을 제어하면서 에틸렌과 벤젠(Benzene) 등의 화학원료로 99% 전환할 수 있는 비산화 메탄 직접 전환기술을 개발하는데 성공했다.
기술의 핵심은 단원자 철 촉매로, 연구진이 실험계산화학과와 융합연구를 통해 촉매 표면을 최적화시켰다.
기존촉매가 여러 원자들이 뭉쳐 있어 연쇄적으로 반응이 일어나는 반면 신규촉매는 여러개의 단원자가 촉매 표면에 흩어져 있는 형태로 각각의 단원자에서 한번씩만 화학반응이 일어나도록 했다.
기존의 촉매에서 연쇄반응으로 생성되는 이산화탄소와 코크 등의 부산물이 생기지 않고 연쇄반응에 들어가는 불필요한 에너지도 줄어들어 에너지 효율이 높아졌다.
이를 통해 메탄으로부터 선택적으로 C2화합물(에틸렌·에탄·아세틸렌) 86%, 방향족 화합물(벤젠·자일렌·톨루엔·나프탈렌 등) 13%를 전환했고 부산물로 수소를 얻었을 뿐만 아니라 나머지 1% 이하는 코크 생성량으로 메탄의 화학원료 전환율이 99%에 달했다.
연구결과는 촉매분야 권위지인 ACS 커탤러시스 9월호 표지 논문으로 게재됐고 비산화 메탄 직접전환 기술에 대한 내용을 저널에 발표한 것은 중국 다롄화학물리연구소, 미국 메릴랜드대학교에 이어 3번째이다. (K)