국내연구진, 제올라이트내 신개념 촉매 원리 중성자로 밝혀내

최용남 한국원자력연구원 중성자과학연구부 박사

[이데일리 오희나 기자] 국내 연구진이 석유 및 정밀화학 산업 분야 등에 활용할 수 있는 신개념 촉매의 형성과 작용 원리를 밝히는 데 성공했다. 이 연구 결과는 응용화학 분야 세계 최고 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 온라인판 9월 7일자에 게재됐다.

한국원자력연구원은 중성자과학연구부 최용남, 이희주 박사가 서강대학교 윤경병 교수팀과 함께 2㎚(나노미터) 크기의 미량 백금 입자가 균일하게 입혀진 제올라이트의 세공 안에 수소 이온쌍(H+, H-)이 형성되는 과정을 연구용 원자로 하나로(HANARO)의 중성자 회절 실험을 통해 밝혀내고, 수소화 반응의 촉매로 활용할 수 있는 작용 원리를 제시했다고 5일 밝혔다.

제올라이트(zeolite)는 열을 가하면 흡착된 물이 증기로 배출되어 끓는(zeo) 돌(lite)이라는 뜻의 이름이 붙여진 광물이다. 제습제, 세제 등 다양한 용도로 사용되며, 구조가 특화된 합성 제올라이트는 수소화 반응, 가수소 분해 반응 등의 촉매로 쓰인다.

연구팀은 백금-제올라이트 복합물질을 70 ℃ 이상에서 수소 열처리함으로써 백금 나노입자에 의해 수소 분자가 분해돼 제올라이트의 미세한 구멍 안에 수소 양이온(H+)과 음이온(H-)이 이온쌍으로 형성된다는 것을 밝혀내고, 이를 석유화학산업 분야에서 원유의 정제 등에 사용되는 대표적인 화학반응인 수소화 반응의 촉매로 활용할 수 있는 작용 원리를 제시했다.

이번 연구결과는 제올라이트와 수소 이온쌍의 장점을 함께 활용할 수 있는 신개념 촉매의 작용 원리를 밝힌 것으로, 향후 고성능 수소화 반응 촉매 개발 연구에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

제올라이트는 촉매로 사용될 경우 반응 생성물의 분자 크기와 모양을 선택할 수 있는 능력이 탁월하며, 수소 이온쌍은 수소의 양이온과 음이온을 모두 매개로 사용하는 화학 반응에 효과적으로 활용할 수 있다.

따라서 제올라이트 내 수소 이온쌍 촉매는 이러한 장점을 함께 갖추는 한편, 사용 중 촉매 활성이 줄어들면 간단한 열처리 공정을 통해 손쉽게 재활용이 가능해 경제성과 친환경성 또한 우수할 것으로 기대되고 있다.

최용남 박사는 “이번 연구결과를 바탕으로 현재 저가의 아세톤을 고부가가치의 이소프로판올로 변환시키는 수소 매개 화학반응 촉매 연구를 진행하고 있다”며 “앞으로 관련 연구를 확대해 나갈 것”이라고 밝혔다.

백금-제올라이트 세공 내에 형성된 수소 이온쌍의 모식도.