“우리 주변에 흔한 물질 메탄가스를 화학적으로 합성하고 분해할 수 있다면 그 활용도가 무궁무진할 것입니다”

IBS 분자활성 촉매반응 연구단(단장 장석복) 백무현 부연구단장의 말이다. 백 부단장은 미국 연구진과 공동으로 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 화학반응을 활성화하는데 성공했다. 전이금속인 이리듐을 사용해 메탄가스의 붕소화 촉매반응을 일으킨 것은 이번이 처음이다.

메탄가스는 탄소와 수소로만 이뤄진 탄화수소(Hydrocarbon) 물질 중 하나다. 원유에서 나오는 가솔린‧등유‧중유‧경유와 천연가스를 모두 포괄하는 탄화수소는 화학공업에서 가장 중요한 물질이다. 그러나 메탄가스는 매년 5억톤 이상이 발생하고 그 양이 점차 늘고 있음에도 활용도는 매우 낮은 수준에 머물러 있다. 탄소-수소 결합이 너무 강해 화학공업에 응용하기가 사실상 불가능하기 때문이다.

현재 메탄가스는 원유 시추과정에서 얻어지는 양 중 극히 일부만이 LNG(액화천연가스) 형태로 인접국가로 수송돼 사용되고 있다. 상온에서 기체 상태인 메탄가스를 액화시키려면 거대설비로 높은 압력을 가하는 복잡한 공정이 필요할뿐더러, 액화 중 에너지 밀도가 낮아져 제한적인 활용만 가능해 경제성이 매우 낮기 때문이다. 사우디아라비아 같은 산유국에서 원유 시추 시 발생하는 다량의 메탄가스를 그냥 태워버리는 이유다. 이렇게 연소되는 메탄가스는 환경에 유해한 이산화탄소, 일산화탄소를 대량으로 방출하게 된다.

이런 메탄가스의 활용도를 높이는 것은 화학자들의 오랜 숙제와도 같았다. 백 부단장은 계산 화학으로 화학반응에 필요한 정확한 촉매 물질을 예측하고 여러 번의 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 실험을 제안했다. 그의 결과를 갖고 미국의 연구진이 실험으로 메탄가스의 화학적 반응을 일으키는 붕소화 촉매반응 메커니즘을 규명하는데 성공한 것이다.

무엇보다 이번 연구는 기존 연구에서 2~3%에 머물렀던 탄소-수소 결합 활성화 반응 생산율을 52%까지 끌어 올렸다는 데 큰 의의가 있다. 백 부단장은 “분해가 어려운 메탄가스로 촉매 화학반응을 일으키는 것은 화학자들에게 오랜 꿈과 같았는데, 미국에 있는 절친한 동료 대니얼 민디올라 교수와 계산화학과 실험화학의 공동연구가 잘 이뤄져 좋은 결과를 낼 수 있었다”고 말했다.

이번 연구는 메탄가스를 새로운 에너지원과 석유화학 원료로 사용할 수 있는 가능성을 열었다는 중요한 의미를 가진다. 연구팀이 촉매반응으로 만든 탄소-수소 결합 활성화 생성물은 어떤 분자와 반응시키느냐에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 예를 들어 물을 더하면 메탄올이 되고, 다른 화학 합성물질과 반응시키면 플라스틱, 의약품, 의류 등 화학제품의 원료로도 사용할 수 있다.

또한 이 기술을 응용해 기후 변화의 주범으로 꼽히는 메탄가스를 분해하고 제어할 수 있다면 온실가스 감축에도 큰 효과를 기대할 수 있다. 원유 시추 시 발생하는 메탄가스도 분해해 피해를 최소화할 수 있다.
이번 연구에 참여한 안세환 연구원은 “앞으로 고가의 이리듐 촉매를 대체할 수 있는 유기금속촉매를 개발하고 효율성 높은 촉매를 설계하는 데 힘을 쏟을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 IBS 백무현 부단장과 안세환 연구원, 미국 펜실베이니아대 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 미시간주립대 밀턴 스미스(Milton R. Smith Ⅲ) 교수 그룹과의 공동연구로 진행되었다. 연구결과는 세계적 학술지인 사이언스(Science, if=33.611) 온라인판에 미국시간 기준 3월 24일 게재됐다.

▲ 기존 메탄가스 활용의 한계와 연구단이 실시한 탄소-수소 결합 활성 붕소화 촉매반응의 장점

▲ 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성 붕소화 촉매반응 기작

대외협력실 고은경