화학뉴스

국내 연구진이 프로필렌(Propylene)의 생산효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나노촉매를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 화학과 유룡 교수팀은 메조당공성 제올라이트(Mesoporous Zeolite)를 지지체로 사용해 백금-희토류 합금 나노입자 촉매를 만드는데 성공했다고 밝혔다.
현재 프로필렌 생산에 사용되고 있는 기존 상용촉매(백금주석/알루미나)보다 촉매 수명을 약 20배 이상 향상시켰으며 독성, 빠른 비활성화에 따른 짧은 수명 등 기존 상용촉매의 과제를 해결한 것으로 평가되고 있다.
기존 상용촉매 가운데 크로뮴옥사이드/알루미늄옥사이드는 크로뮴 독성 때문에 사용을 기피하고 있고 백금주석/알루미나는 프로판(Propane) 전환율과 프로필렌 선택도가 높지만 탄소 부산물 때문에 빠르게 비활성화되는 단점이 있어 개선이 요구됐다.
연구팀은 0.55나노미터 크기의 작은 구멍들이 3차원으로 균일하게 연결된 구조를 가진 메조다공성 제올라이트를 지지체로 사용해 백금과 희토류가 결합한 나노입자 촉매를 만드는데 처음으로 성공했다.
희토류 산화물은 매우 안정된 구조여서 고온 수소처리를 실시해도 환원반응이 잘 일어나지 않아 백금과 합금을 형성하는 것이 불가능한 것으로 알려졌다.
하지만, 연구팀이 지지체로 사용한 메조다공성 제올라이트는 표면 곳곳에 규소(Si) 원자가 빠지면서 생긴 실란올 네스트(Silanol Nest)라는 공공결함이 있고 희토류 산화물이 단원자 형상의 희토류 금속으로 존재해 수소 열처리 과정에서 백금과 일정한 구조를 갖는 합금을 형성하는 것으로 나타났다.
백금(Pt), 란타늄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce) 등 희토류로 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 확인됐다.
연구 결과를 실제 산업에 적용하기 위해 비활성화된 촉매에 대한 적절한 재활성화 방법을 개발하고 생산단가가 높은 편인 메조다공성 제올라이트의 생산단가가 낮추는 것도 중요한 것으로 파악된다.
유룡 교수는 “셰일가스(Shale Gas) 생산이 증가하면서 셰일가스에 다량 포함된 프로판에서 프로필렌을 생산하는 것이 더욱 중요해질 것”이라며 “백금-희토류 합금 나노입자 촉매가 프로필렌 생산효율을 높이는데 기여할 것으로 기대한다”고 강조했다. (K)