▲ 합성가스로부터 LAO 생산 및 하이드로포밀화 반응 흐름도

국내 연구진이 부생가스를 활용해 고부가가치 알데하이드를 생산하는 기술을 개발, 화학소재의 해외 의존도를 줄이고 공급망 위기에도 안정적으로 대응할 수 있어 국내 화학산업 자립화에 중요한 역할을 할 전망이다.

UNIST(총장 박종래)는 에너지화학공학과 안광진 교수팀·서울대 한정우 교수팀이 한국에너지기술연구원과 협력해 성능이 뛰어난 로듐 기반 촉매를 개발했다고 23일 밝혔다.

개발 된 촉매는 부생가스에 포함된 올레핀을 고부가가치 알데하이드로 효율적으로 전환한다. 올레핀은 이중결합을 갖는 불포화 탄화수소 화합물로, 파라핀과 함께 화학산업에서 중요한 원료로 사용된다.

지난 수년간, 화학 소재의 해외 의존도를 낮추기 위해 선형 알파 올레핀(LAO)과 같은 고부가가치 화학소재의 생산 자립화 기술에 대한 필요성이 증가해왔다.

LAO 생산을 위해 일산화탄소 및 수소의 혼합물인 합성가스를 액체 탄화수소 화합물로 전환하는 FT(피셔-트롭쉬, Fisher-Tropsch) 촉매 반응에서는 다양한 탄화수소 생성물이 합성되는데, 이때 필연적으로 생성되는 부생가스를 업그레이드하기 위한 방안 중 한가지로 하이드로포밀화 반응을 고려할 수 있다.

하이드로포밀화 반응은 올레핀에 합성가스를 첨가해 알데하이드를 합성하는 반응이지만, 현재까지는 주로 균질계 촉매를 이용해 수행됐다. 균질계 촉매는 높은 활성 및 선택성을 지닌다는 장점이 있지만, 촉매의 재사용 및 회수에 한계가 있다.

이에 연구팀은 폐기되던 부생가스를 재활용할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 성능이 뛰어난 로듐 기반 촉매 개발과 이산화탄소를 수소와 결합해 연료로 바꾸는 과정에서 발생하는 부생가스를 고부가가치 제품으로 변환하는 기술도 함께 개발한 것이다.

연구팀은 로듐 기반 비균질계 촉매를 활용해 효과적인 하이드로포밀화 반응 활성을 이끌어내고자 했다. 로듐 촉매의 성능을 높이기 위해 산화세륨을 도입해 촉매의 화학적 성질을 개선했다. 연구팀은 기존 기술과 견줄만한 높은 반응 성능을 가진 비균질계 촉매를 사용해 부생가스에 포함된 올레핀을 알데하이드라는 고부가가치 화학물질로 성공적으로 전환한 것이다.

부생가스는 합성가스를 액체로 전환하는 화학 반응에서 나오는 부산물(혼합기체)로, CH₄(메탄), CO(일산화탄소), H₂(수소) 및 다양한 탄소수의 올레핀 및 파라핀으로 구성돼 있다. 그동안 크게 주목받지 못했다.

연구팀이 개발한 로듐 촉매는 크기를 줄이고 분산성을 높여 재사용이 가능하면서도 성능이 크게 향상돼, 부생가스의 산업적 가치를 새롭게 평가할 수 있게 됐다. 부생가스를 고부가가치의 알데하이드로 전환, 이렇게 생선된 알데하이드는 다양한 화학 산업에 필수적인 중요한 물질일 뿐만 아니라, 연속적인 수소화 및 탈수화를 거쳐 다시 LAO까지 합성이 가능한 잠재력도 존재한다.

또한 하이드로포밀 반응을 거치게 되면 부생가스 내 올레핀은 알데하이드가 돼 액상으로 전환되지만 파라핀은 여전히 기체 상으로 존재하기에 부생가스 내 올레핀/파라핀 분리를 위한 반응으로 활용될 수 있다는 가능성도 있다. 이는 추후 폐플라스틱 등으로부터 생성된 폐가스 속 올레핀을 고부가가치의 알데하이드로 전환할 수 있는 기술로 성장할 것으로 기대된다.

안광진 교수는 “이 기술이 화학 반응 부산물의 가치를 높이는 데 중요한 역할을 할 것”이라며, “이산화탄소를 연료로 전환해 환경을 보호하는 기술에도 적용될 수 있다”고 설명했다.

한정우 서울대 교수는 “이번 연구로 개발된 촉매가 로듐의 효율성과 안정성을 극대화했다”고 평가했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다.

▲ LAO 생산 과정 중 부생가스 업그레이드용 하이드로포밀반응 모식도(上)와 하이드로포밀반응 전/후 부생가스 내 올레핀 성분 변화(下)