KAIST 연구진, 백금 효율 100배 높인 신개념 촉매 개발​ 저렴하고 효율적으로 프로필렌 생산할 수 있는 신개념 촉매

KAIST 연구진, 백금 효율 100배 높인 신개념 촉매 개발​

저렴하고 효율적으로 프로필렌 생산할 수 있는 신개념 촉매

촉매 비용 절감, 교체 주기 감소 등 경제적·환경적 효과 기대

 

▶생명화학공학과 최민기 교수님(왼쪽), 생명화학공학과 이수성 박사과정(오른쪽)

 

 

플라스틱, 섬유, 자동차 부품, 전자제품 등 다양한 제품의 생산에 꼭 들어가는 프로필렌(propylene)은 석유화학 산업의 핵심 원료다.

 

KAIST 연구진이 이 프로필렌을 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있는 신개념 촉매를 개발했다.

 

기존보다 100배 이상 효율이 높은 백금 기반 촉매다.

 

KAIST 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 값싼 금속 갈륨(Ga)과 알루미나(Al2O3)를 기반으로 백금은 극소량(100ppm, 0.01%)만 사용한 촉매를 개발했다.

 

이 촉매는 기존 고농도 백금(10,000ppm)을 사용한 상용 촉매보다 더 뛰어난 성능을 보였다.

 

프로필렌은 프로판(propane)에서 수소를 떼어내는 ‘프로판 탈수소화(PDH, propane dehydrogenation)’ 공정을 통해 생산할 수 있다.

 

이 공정에는 백금 촉매가 널리 사용되어 왔다.

 

백금은 탄소와 수소 사이의 결합을 끊고 수소를 제거하는 데 매우 효과적이다.

 

그러나 백금은 가격이 높고 반복 사용 시 성능이 저하되는 단점이 있었다. 

 

연구팀은 갈륨과 알루미나를 기반으로 백금을 꼭 필요한 만큼만 넣은 촉매를 설계해 이러한 문제를 해결했다. 

▶그림1. 갈륨(Ga)과 백금(Pt) 사이의 촉매 협업 작용을 나타낸 모식도

 

새로운 촉매의 핵심 원리는 다음과 같다.

 

갈륨은 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화해 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성하며, 백금은 표면에 남은 수소 원자들을 결합시켜 수소 기체(H2)로 전환, 촉매 표면에서 제거한다.

 

두 금속이 역할을 분담함으로써 백금 사용량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있게 했다.

 

특히, 백금과 갈륨의 비율이 적절할 때 최적의 성능을 나타냈으며, 연구팀은 이 이상적인 조성 비율을 과학적으로 설명하고, 예측할 수 있는 정량적 지표도 제시했다.

 

또한, 기존 백금 촉매의 주요 약점이었던 반복 사용할수록 백금 입자가 뭉쳐 성능이 급격히 떨어지는 ‘소결(sintering)’ 현상 문제도 해결했다.

 

연구팀은 세륨(Ce)을 소량 첨가해 백금 입자의 뭉침을 억제하는 데 성공했다.

 

그 결과, 20회 이상 반응과 재생을 반복한 뒤에도 촉매 성능이 안정적으로 유지됐다.

▶그림 2. KAIST 신규 개발 촉매(100 ppm 백금)와 기존 상용 백금 촉매 (10,000 ppm 백금)의 성능 비교

 

 

최민기 교수는 “이번 연구는 백금 사용량을 기존 대비 1/100 수준으로 줄이면서도 성능을 유지하거나 오히려 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다”며, “촉매 비용 절감, 교체 주기 감소, 폐촉매 감소 등 경제적·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있다”고 설명했다.

 

이어 “향후 대규모 공정 실증과 상업화 가능성도 검토할 예정이며, 산업 현장에 적용될 경우 프로필렌 생산의 경제성과 효율성이 크게 향상될 것”이라고 덧붙였다.

 

한국연구재단과 한화솔루션㈜의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 최민기 교수가 교신저자로, 박사과정 이수성 학생이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 화학 및 화학공학 분야 최고 권위 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 2월 13일 자로 게재됐다.

 

※ 논문명: Ideal Bifunctional Catalysis for Propane Dehydrogenation over Pt-Promoted Gallia-Alumina and Minimized Use of Precious Elements

※ https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13787.

 

<김진일 기자>

 

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