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KIST, 실험대신 시뮬레이션으로 '화학산업의 쌀' 제조 성공활성촉매 '에틸렌' 제조법 원자구조 모델링 만으로 찾아
함형철 책임연구원, 임서연 학생연구원, 하정명 책임연구원(왼쪽부터) (제공 한국과학기술연구원)

국내 연구진이 실험이 아닌 컴퓨터 계산을 활용해 촉매 후보물질을 설계하고 이를 바탕으로 최적화된 활성의 촉매를 만들어 냈다.

시행착오가 동반되는 반복된 실험이 아닌 원자구조를 모델링하는 계산(시뮬레이션)을 통해 여러 물질을 빠른 시간에 탐색하고 우수한 활성의 촉매를 도출하는 방식이다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 하정명, 함형철 박사 연구팀(한국과학기술연구원)이 컴퓨터 계산을 통해 메탄가스에서‘화학산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾아냈다고 밝혔다.

석유화학공정이나 매립쓰레기에서 얻을 수 있는 많은 양의 메탄을 에너지원으로 사용하는 데서 나아가 화학제품의 원료로 사용할 수 있는 천연가스 고부가가치화 촉매를 설계한 것이다.

메탄을 일산화탄소와 수소로 전환시켜 원료로 활용하는 간접적인 방식은 상용화 단계에 이르렀으나 효율이 낮은 편이다.

원유증류 과정에서 에틸렌을 얻는 대신 풍부하게 존재하는 메탄을 산소와 반응시켜 직접 에틸렌을 얻으려 하였으나 반응이 완전히 밝혀지지 않아서 적합한 촉매를 찾기 어려웠다.

이에 연구팀은 실험을 통해 일일이 후보물질의 반응성을 확인하는 대신 컴퓨터를 이용해 다양한 후보물질을 설계하고 그 물질 표면에서 메탄이 어떻게 변화할지 예측했다.

실험실에서 촉매를 합성하는 데 걸리는 시간은 평균 1주며 촉매의 화학반응 특성분석에 걸리는 시간 또한 1, 2주가 소요되는 점을 감안하면 하나의 촉매 후보군의 반응성에 대해 판단을 내리는 데 소요되는 한 달 가량의 시간을 크게 단축한 것이다.

압축된 촉매 후보 물질 65종류 가운데 네오디뮴(Nd)이 첨가된 스트론튬타이타네이트 촉매가 메탄의 산화를 돕는 높은 활성을 보임을 확인했다.

KIST 연구진이 양자역학 계산으로 천연가스 전환 에틸렌 생산 촉매를 설계했다. 연구진은 이들 촉매들이 우수한 활성을 나타냈다고 밝혔다.사진은 양자역학 계산법과 새로 설계한 촉매의 활성 정도를 보여주는 그림.(제공 한국과학기술연구원)

기존 스트론튬타이타네이트 촉매의 선택도(48.9%) 대비 15% 가까이 향상된 선택도(55.0%)를 보여 메탄 원료를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 제시했다.

하정명 박사는 “실험만으로는 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계 방법을 개발한 것”이라며 ”향후 저가의 천연가스로부터 고부가가치화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 것“이라고 계획을 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 촉매화학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 카탈리시스(Journal of Catalysis)’(7월 10일자)에 게재됐다.

논문명

Combined experimental and density functional theory(DFT) studies on the catalyst design for the oxidative coupling of methane

저자

하정명 박사(공동교신저자/한국과학기술연구원), 함형철 박사(공동교신저자/한국과학기술연구원), 임서연 박사과정(제1저자/한국과학기술연구원)

박희범 기자  snews@s-news.kr

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