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타이타늄 촉매반응로 화학소재 올레핀 합성한다

- 전이금속에 비해 수십 배 저렴한 타이타늄 활용, 필요한 온도는 10분의 1수준 -

화학자들에게 탄화수소1)는 무궁무진한 연구거리를 던져주는 대상이다. 지구상에 풍부하게 존재하는 탄화수소는 에너지의 주요 원료이기 때문에 화학자들은 다양한 화학반응을 연구하고 있다. 특히 석유와 천연가스 등을 가공하거나 분해할 때, 열과 에너지를 적게 사용하면서 환경오염이 덜한 화학반응을 유도하기 위해 다양한 촉매개발에도 힘써왔다.


▲ 비행기 동체, 자전거, 골프채, 보석 등 다양하게 활용되는 타이타늄(Titanium). 연구진은 타이타늄 촉매를 활용해 올레핀 합성에 성공했다.

IBS 분자활성 촉매반응 연구단 백무현 부연구단장 연구진은 탄화수소에서 수소를 없애는 탈수소반응2)을 주변에 흔한 타이타늄(Titanium, Ti)3) 촉매로 활용해 올레핀4)으로 합성하는데 성공했다. 올레핀은 필름, 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용되는 석유화학산업 분야 주요 소재이다. 백 부단장은 마노즈 마네(Manoj V. Mane) 연구위원과 계산화학을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택해 제안했으며 미국 펜실베니아대학 대니얼 민디올라 교수팀이 실험으로 검증했다.

올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성된다. 보통 올레핀은 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(stem cracking)5)하여 제조한다. 매우 높은 열과 에너지를 투입해야 하고 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 화합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또, 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 이산화탄소 등 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다. 탄소-수소 결합을 끊는 반응성을 높이고자 전이금속 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에는 활용하기 어려웠다.

백 부단장은 밀도범함수6)를 활용한 계산화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했다. 그 결과, 공동 연구진은 탄화수소의 탈수소반응이 약 75℃에서 성공적으로 일어났음을 확인했다. 기존 공정의 10분의 1 수준의 온도에서도 촉매반응을 유도해 올레핀을 합성하는데 성공한 것이다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때, 탄화수소가 성질이 달라지는 이성질화(isomerization)7)되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다.


▲ 분자 또는 원자에 대한 양자화학 및 분자동력학 등을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현하는 계산화학. 백 부단장은 계산화학을 활용해 정확한 촉매를 예측한다. 계산화학으로 타이타늄을 활용해 탄소-수소 단일결합 형태인 알케인의 탈수소반응 메커니즘을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현했다.

타이타늄 촉매는 싸고 독성이 없기 때문에 앞으로 활용가치가 크다. 지각에 9번째로 많이 함유된 원소이고 금속 중 네 번째로 많다. 가격도 비싼 전이금속에 비해 수십 배 저렴하다. (이리듐은 1g에 약 40만원, 타이타늄은 1g에 약 1만 7천원에 달한다, 출처: 시그마 알드리치)우주에서 떨어진 운석에 포함된 광물인 이리듐은 신의 물질이라 불린다. 반응성은 매우 크지만 구하기 어렵고 값이 비싸 붙여진 별명이다. 백 부연구단장은 “이리듐의 자리를 타이타늄이 대체할 수 있을지 궁금하다. 주변을 둘러보면 어디에나 있는 타이타늄이 탄화수소의 결합을 끊고 활성화하는 촉매로 쓰인다면 많은 변화가 생길 것이다. 이번 연구에서 타이타늄 촉매가 가진 가능성을 보았다면 앞으로는 효율성과 반응성을 높여 기존 올레핀 합성공정의 비용을 줄이는데 기여하고 싶다”고 말했다.


▲ 연구진은 타이타늄 촉매를 활용한 탈수소반응 메커니즘을 구현했다. 탄소와 수소의 단일결합으로 이뤄진 화합물을 알케인으로 분류한다. 위 그림은 알케인(보라색 상자)이 탄소-탄소 이중결합(C=C)을 갖는 올레핀(초록색박스)을 만드는 과정을 물레에 비유했다. 촉매인 타이타늄(Ti)이 물레 중앙에 위치해있다. 물레가 잘 돌아가게 도와주는 손잡이에는 반응을 도와주는 일라이드(Ylide)물질이 그려져 있다.

백 부연구단장은 지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해(사이언스, 16.04)한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 공동으로 진행된 이번 연구결과는 27일 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 25.87)8)에 게재되었다.

대외협력실 고은경

1) 탄화수소(Hydrocarbon): 탄소와 수소만으로 이뤄진 결합물로 유기화합물의 모체. 탄화수소는 포화/불포화, 사슬/고리 모양으로 분류된다. 화학공정의 핵심 원료로 원유, 천연가스 등을 예로 들 수 있다.

2) 탈수소반응(dehydrogenation): 수소를 포함하는 화합물에서 수소가 제거되는 반응. 탄소-수소 단일결합 화합물인 알케인을 활용해 올레핀을 얻을 때 필요하다.

3) 타이타늄(Titanium, Ti): 원자번호 22번 타이타늄은 그리스 신화의 신 이름을 땄다. 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소이고 금속 중에서 네 번째로 많다. 타이타늄 금속은 강철만큼 강하지만 밀도가 강철의 반이다. 비행기 동체, 항공기 부품, 인공위성의 주요 소재이고 합금을 해 보석, 골프채 등으로도 널리 활용한다.

4) 올레핀(olefins): 탄소-수소 단일 결합인 알케인(alkene)의 한 종류. 이번 연구에서는 탄화수소 분자의 첫 번째 탄소와 두 번째 탄소 사이에 이중결합(C=C)이 존재하는 알파-올레핀을 합성했다. 대부분 원유를 공업적으로 정제해 얻고 있다.

5) 증기 분해(Steam Cracking): 석유를 고온에서 분해하여 에틸렌 등의 올레핀을 제조하는 방법이다.

6) 밀도범함수(Density Functional Theory): 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 양자 역학적으로 계산하는 이론으로 1998년 월터 콘(Walter Kohn)이 해당 이론으로 노벨 화학상을 수상하였다.

7) 이성질화(Isomerization): 화학적 또는 물리적 변화에 의한 한 이성질체가 다른 이성질체로 변화되는 현상이다. 여기서 이성질체(Isomer)란, 분자식은 같으나 분자내의 원자의 연결방식이나 공간배열이 다른 화합물을 말한다.

8) 네이처 케미스트리(Nature Chemistry): 세계적인 출판그룹 NPG(Nature Publish Group)에서 발행하는 화학 저널. 화학 분야 최고 권위 학술지로 꼽힌다. 피인용지수(impact factor)는 25.87이다.

Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalizations (분자활성 촉매반응 연구단)

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백무현
백무현(Baik, Mu-Hyun) 이메일 보내기 분자활성 촉매반응 연구단 Publications
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    최종수정일 2017-11-15 02:43