일본, 암모니아‧벤젠 합성 메커니즘 규명 … 연료전지용 수소촉매 주목
화학뉴스 2014.12.26
대학 등 연구기관에서 촉매분야에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
도쿄대학과 큐슈대학은 상온상압에서 암모니아를 합성하는 촉매 기능을 분석했고 이화학연구소는 최근 벤젠(Benzene)의 탄소-탄소결합을 실온에서 단절하는데 성공했다. 교토대학은 연료전지의 성능을 향상시키는 복합재료를 개발하는 등 화학제품의 효율적인 합성과 연로전지 자동차의 연비향상 등 환경 부담을 경감하는 방향의 연구가 집중되고 있다. 도쿄대학의 Nishibayashi Yoshiaki 준교수와 큐슈대학의 Yoshizawa Issei 교수팀은 2010년 Nishibayashi 교수팀이 개발한 촉매를 사용해 상온상압의 암모니아 합성공법에서 중간물질의 단독분리에 성공했다. 분리한 중간물질에 전자가 흐르기 때문에 온화한 조건에서 합성할 수 있는 사실을 밝혀냈다. 철계 촉매를 사용해 질소가스와 수소가스에서 암모니아를 합성하는 Haber-Bosch 공법은 고온고압이 전제조건이기 때문에 대체할 수 있는 질소 고정공법 개발로 이어갈 수 있는 성과로 평가되고 있다. 이화학연구소의 Hou Zhaomin 연구팀은 3개의 티탄 원자로 구성된 다금속 티탄 하이드라이드 화합물을 사용해 실온에서 벤젠의 탄소-탄소결합의 절단에 성공했다. 벤젠이 티탄금속 위에서 결합해 티탄이 상호 협력으로 탄소-탄소결합을 절단하는 매커니즘을 규명했으며, 탄소가 1개 많은 톨루엔(Toluene)도 같은 반응이 일어나는 것을 관찰했다. 벤젠의 탄소-탄소결합 절단은 고체산촉매(Solid Acid Catalyst)를 사용해 500℃의 고온에서 실시하기 때문에 많은 에너지가 소비되는 반면 반응프로세스가 복잡하고 부생물도 많은 단점이 있다. 공업적인 방향족(Aromatic) 화합물의 분리반응 메커니즘 규명과 온화조건에서 반응이 진행하는 새로운 촉매 개발로 이어질 것으로 기대되고 있다. 이산화탄소(CO2)를 화학제품의 원료로 사용하는 연구도 진행되고 있다. 산업기술종합연구소의 Tominaga Kenichi 교수팀은 CO2에서 화학원료로 유용한 일산화탄소(CO)를 저가에 합성하는 니켈 착체 촉매를 개발했다. 아울러 산업기술종합연구소의 최준철 주임연구원은 CO2와 아민, 주석 Alkoxide 화합물을 반응시켜 우레탄(Urethane)의 원료인 방향족 우레탄을 고수율로 합성하는데 성공했다. 수소를 연료로 사용하는 연료전지자동차(FCV)의 보급에 필요한 연료전지 성능 향상과 코스트 저감기술 개발도 활발히 이루어지고 있다. 교토대학의 Kitagawa Hiroshi 교수팀은 팔라듐(Palladium)이 수소를 흡수하는 양과 흡수‧방출하는 속도를 2배 빠르개 개선한 복합소재를 개발했다. 팔라듐 나노입자에 다공성 금속착체(MOF)를 피복한 것으로 연료전지와 니켈수소전지의 전극촉매 등으로 개발할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 큐슈대학교의 Nagashima Naotoshi 교수팀은 고체 고분자형 연료전지 촉매에 사용되는 백금의 크기를 크게 줄여 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)에 고정해 표면적을 크게 개선했다. 백금은 연료전지 셀 코스트의 1/4를 차지하고 있는 것으로 알려지고 있으며, 크기 감소를 통해 코스트를 1/10 수준으로 절감할 수 있다. 생산기업과 공동으로 시제품의 작동실험을 수차례 반복해 5년 이내에 실용화할 방침인 것으로 알려졌다. 이화학연구소의 Nakamura Ryuhei 팀과 도쿄대학의 Hashimoto Kazushito 교수팀은 식물의 광합성과 물 분해 원리를 활용해 중성의 물에서 전자를 추출하는 인공 망간촉매를 개발했다. 촉매에 염기소재를 첨가함으로써 중성의 물이 알카리와 동일한 수준까지 물 분해 활성도가 향상되는 것으로 나타났다. 중성의 물을 전자원으로 사용한 수소 생산과 환경 부담이 적은 유기연료를 제조할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. <화학저널 2014/12/26> |
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