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강정구, 김용훈 교수, 태양광 이용 이산화탄소로 메탄올 변환 성공
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수, 김용훈 교수 공동 연구팀이 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있는 광촉매를 개발했다.
이 기술은 값싼 물질에 간단한 공정으로 이산화탄소를 고부가가치의 화학물질로 변환시킬 수 있다. 향후 탄소배출규제 시행에 따른 이산화탄소 처리 및 저감 문제를 해결할 수 있는 대안 기술이 될 것으로 기대된다.
이동기, 최지일 박사가 참여한 이번 연구는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 5월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
매년 우리나라에서는 6억 톤의 이산화탄소가 발생하고 세계적으로는 250억 톤에 이른다. 이산화탄소를 메탄올로 변환할 수 있다면 1톤 당 약 40만원에 판매가 가능해지고, 운반의 문제를 해결할 수 있다.
경제 및 환경문제에서도 효과가 클 것으로 예상되기 때문에 과학계 및 관련 산업계는 이산화탄소를 메탄올로 변환하기 위한 노력을 하고 있다.
식물의 광합성 효과를 모방한 인공광합성 기술은 태양에너지만으로 메탄올과 같은 고에너지 밀도의 화학물질을 제조할 수 있다. 이 반응을 이끌어내기 위해서는 백금, 금, 루테늄과 같은 금속 광물이 필요하다.
하지만 낮은 에너지 변환 효율 문제가 개선되지 않아 광촉매 물질의 보호막 정도로만 사용되고 있다. 에너지 효율이 낮은 이유는 태양 에너지의 극히 일부만 활용 가능해 전자 전달 능력이 낮기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 콜드 플라즈마(cold Plasma) 반응을 기반으로 한 기술을 이용했다. 기존 산화물 공정은 한 물질에 질소와 수소 처리를 동시에 구현하는 것이 불가능했지만, 기체 콜드 플라즈마 기술을 이용하면 상온에서도 고 반응성의 수소 및 질소 라디칼을 형성할 수 있다. 이를 통해 순간적 반응만으로 금속 산화물 내부에 질소 및 수소를 주입하는 데 성공했다.
이 기술로 자외선(UV)영역에 국한되는 이산화티타늄의 빛 감지 범위를 가시광선 영역까지 확대시켰고, 전자 전달 능력을 1만 배 증가시킴으로써 귀금속 광물 없이도 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있었다.
또한 인공광합성 반응이 잘 일어나도록 도와주는 별도 화학첨가제나 전기적 에너지 없이도 반응을 가시광 범위까지 이끌어냈다.
이산화티타늄 광촉매는 해당 물질이 갖는 이론한계치의 74%에 달하는 광전류를 발생시켰고, 이산화탄소를 이용한 메탄올 발생량이 25배 이상 향상됐다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자 수준 모델링을 통해 수많은 변수를 측정함으로써 촉매 반응 향상의 원리를 이론적으로 규명했다.
강 교수는“이 기술을 기반으로 향후 산업체에서 대량 생산할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 목표다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 태양광을 이용한 이산화탄소의 메탄올로의 변환 과정
그림2. 가시광에서 연료변환이 가능하도록 만든 코어-쉘 촉매
2016.05.26 조회수 15057 -
백무현 교수, 메탄가스의 화학적 분해 성공
〈 백 무 현 교수 〉
우리 대학 화학과 백무현 교수 연구팀이 촉매반응과 합성이 까다로운 메탄가스를 화학적으로 분해하는데 성공했다. 이로써 메탄가스를 대체에너지원은 물론, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 원료로 활용할 수 있는 실마리를 제시했다.
기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단은 전이금속인 이리듐을 활용한 붕소화 촉매반응으로 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 화학반응을 활성화하는 과정을 이론과 실험으로 증명했다.
백 교수는 계산 화학으로 화학반응에 필요한 정확한 촉매후보물질을 예측했으며 반응 메커니즘을 규명했다.
기존 연구에서 탄소-수소 결합 활성화 반응 생산율은 2~3%에 머물러 사실상 불가능에 가까운 화학반응으로 간주되었다. 하지만 연구팀은 촉매로 탄소-수소 결합 활성화 생성물의 생산율을 약 60%까지 끌어올렸다.
메탄가스는 탄소와 수소로만 이뤄진 탄화수소(hydrocarbon)* 물질 중 하나다. 매년 5억톤 이상 발생하고 발생량이 점차 늘고 있다. 탄화수소 혼합물은 활용성이 높지만 메탄가스는 탄소-수소 결합이 매우 강해 활용이 어렵다.
상온에서 기체 상태인 메탄가스를 액화시키려면 높은 압력과 온도가 필요한데, 복잡한 공정이 동반되고 많은 경제적 비용이 소요된다. 메탄가스를 운송하려 해도 액화 중 에너지 밀도가 낮아져 활용도가 떨어진다.
원유 생산지에서 발생하는 메탄가스는 경제성이 없어 태우는 게 일반적이다. 이 때 환경에 유해한 이산화탄소, 일산화탄소가 다량 발생한다.
이번 연구는 메탄가스를 새로운 에너지원과 석유화학 산업의 원료로 사용할 수 있다는 가능성을 보여줬다는데 의의가 있다.
연구팀이 촉매반응으로 만든 탄소-수소 결합 활성화 생성물은 어떤 분자와 작용하느냐에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 생성물에 물을 더하면 메탄올을 만들 수 있으며 다른 화합물과 반응시키면 플라스틱, 의약품, 의류 등의 화학제품의 원료로도 사용할 수 있다.
또한 연구진이 규명한 화학 반응을 활용하면 이산화탄소와 함께 기후 변화의 주요인으로 꼽히는 메탄가스를 제어할 수 있으므로 온실가스를 크게 줄일 수 있다.
다만 촉매로 사용한 붕소와 이리듐 가격이 비싸기 때문에 이를 대체할 유기금속촉매를 개발하는 것이 과제다.
이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 미국 미시간 주립 대학의 밀턴 스미스(Milton R. Smith Ⅲ) 교수 그룹과의 공동연구로 진행되었다. 연구결과는 세계적 학술지인 사이언스(Science, if=33.611)에 3월 26일에 게재되었다.
□ 그림 설명
그림1. 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성화 반응물을 위한 연구진 실험 내용
그림2. 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성 붕소화 촉매반응 기작
2016.03.29 조회수 12900 -
메탄올 하이드레이트의 새로운 발견
- 가스 하이드레이트 생성 억제 물질인 메탄올의 새로운 역할 규명 -- 원유, 천연가스 수송에서 타이탄 등 태양계 천체 연구까지 다양한 분야에 파급효과 기대 -
원유, 천연가스 등을 심해에서 끌어올릴 때 고압, 저온 조건에서 발생하는 가스 하이드레이트 때문에 송유관이 막힐 수 있다. 이를 방지하기 위해 주입하는 메탄올을 주입하는데 오히려 메탄올 때문에 가스 하이드레이트가 더욱 잘 발생한다는 기존의 가설을 뒤집는 연구결과가 나왔다.
우리 학교 해양시스템공학전공 서유택 교수와 신규철 박사가 공동으로 대표적인 가스 하이드레이트 생성 억제제인 메탄올이 조건에 따라 하이드레이트 형성의 촉매 역할을 하는 메커니즘을 규명했다.
연구 결과는 세계적 학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)’ 5월 21일자에 발표됐다.
가스 하이드레이트는 고압, 저온 조건에서 가스 분자가 물 분자와 결합해 얼음 형태로 존재하는 고체화합물로 원유와 천연가스의 이송 파이프라인 안에서 막히는 현상을 유발해 심각한 사고를 일으킬 수 있다.
이를 방지하기 위해 메탄올은 수송관 내 원유에 약 20~30% 만큼 주입해 가스 하이드레이트 생성을 억제하기 위해 사용된다.
연구팀은 원유를 생산할 때 메탄올에 사용되는 비용을 줄이기 위해 원유대비 메탄올의 주입 비율을 바꿔가며 가스 하이드레이트의 억제 효과를 알아보기 위해 저온 기상증착법 등 다양한 실험을 수행했다.
이번 연구는 메탄올이 가스 하이드레이트 형성을 억제한다는 기존의 연구결과를 기반으로 수행한 것이다. 그러나 메탄올이 메탄 등 다른 가스들과 함께 물과 결합해 가스 하이드레이트가 형성되는 것을 세계 최초로 밝혀냈다.
게다가 메탄올이 오히려 원유대비 5~20% 만큼 주입되면 가스 하이드레이트 형성 속도를 급격히 증가시켜 파이프 이송라인이 더욱 쉽게 막힐 수 있다는 사실도 함께 밝혀냈다.
실제로 2006년 멕시코 만에서 운영 중이던 유전에서는 메탄올 주입량이 20% 미만으로 떨어져 파이프라인이 막혔다. 수 일 동안 생산이 중단되어 회사는 수백만 달러 이상의 손실을 입었지만 과학적으로 원인을 밝혀내지는 못했다. 이렇게 원인이 밝혀지지 않았던 가스 하이드레이트 사고 사례에 대해서도 과학적으로 입증한 것으로 향후 산업계에 미치는 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.
서유택 교수는 “이번 결과는 원유, 천연가스 등의 이송 과정에서 기존의 가설을 뒤집는 결과로 얼음, 메탄, 메탄올, 암모니아 등이 공존하는 태양계 천체들의 표면 성분을 밝히는 데도 응용될 수 있다”며 “다양한 분야에 미치는 파급효과가 클 것으로 예상돼 이에 대한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 해양시스템공학전공 서유택 교수와 신규철 연구원이 캐나다 정부출연연구기관(National Research Council)과 공동으로 수행했다.
그림1. 단결정 X-선 회절 분석을 통해 밝힌 하이드레이트 얼음 격자 안의 메탄올 분자 (右)
그림2. 심해 파이프라인에서 발생한 하이드레이트 막힘 현상
2013.05.23 조회수 15010