한국연구재단은 이윤호 교수(서울대학교) 연구팀이 질소산화물(NOx: 질소와 산소로 이루어진 화합물의 통칭)을 전환하고 고부가화할 수 있는 새로운 니켈(Ni) 촉매 반응을 개발했다고 밝혔다.
산업화로 인해 유발된 탄소 순환 불균형에 못지않게 질소 순환(nitrogen cycle) 문제 또한 인류의 안전한 삶을 위협하고 있다.
비료의 주원료 중 하나인 질산염(NO3-)의 경우 지하수 오염 및 해수의 녹조 현상의 원인이 되고 있으며, 이산화질소(NO2), 일산화질소(NO) 및 아산화질소(N2O) 가스는 대기 오염을 유발할 뿐 아니라, 최근 문제가 되고 있는 미세먼지 생성과도 연관성이 높다.
해당 문제들은 지난 1세기 동안 진행된 비가역적 질소 고정(N2 fixation) 및 질산화반응(nitrification)의 결과이며, 축적된 질소산화물은 질소 순환의 불균형을 가속화하고 있으나 질산염과 같은 질소산화물들의 회귀 공정은 미비하다.
※ 질소고정(N2 fixation): 공기 중에 다량으로 존재하는 안정한 불활성 질소 분자 (N2)를 다른 질소 화합물로 변환하는 과정. 일반적으로 암모니아를 합성함.
※ 질산화반응(nitrification): 질화작용이라고도 하며 암모늄 이온이 질산염으로 산화되는 과정.
본 연구팀은 인류 환경 문제 및 친환경 화학산업 발전에 공동으로 기여할 수 있는 질소 활용법을 제안하고자 기존 탈질화 반응을 업그레이드하여 질소산화물 전환 및 활용(NCU, NOx Conversion and Utilization)을 위한 새로운 기술을 연구하였다.
연구팀은 자연계의 탈질화 반응*에 착안, NCU를 위한 핵심기술로 니켈 촉매를 이용하여 일산화탄소를 통한 탈질화 반응과 탄소-질소(C-N) 결합 형성을 이루는 새로운 촉매 반응 개발에 성공하였다.
* 자연계의 탈질화 반응(Denitrification): 질산염에서 이산화질소, 일산화질소 및 아산화질소를 거쳐 최종적으로 N2를 생성하는 질소 순환의 최종단계임. 각 반응은 고도로 최적화된 효소들에 의해 단계별로 이루어짐.
개발한 촉매 반응은 니켈-NOx 종의 탈산화 반응 이후 탄소-질소 결합을 통해 최종적으로는 옥심(Oxime)이 생성되는 반응이며, 이를 통해 10여종의 옥심을 합성하였다. 옥심은 다양한 유기물질로 전환 가능하고 화학산업에 널리 사용되는 유용한 물질이다.
본 촉매 반응의 핵심 단계인 탄소-질소 결합에 대한 이론 연구는 전북대학교 조경빈 교수 연구진과의 공동 연구로 진행하였다. DFT 계산 결과를 통해 아크리단 리간드의 구조적 특성이 탄소-질소 결합 반응의 활성화 에너지를 낮추는 데 중요함을 알 수 있었으며, 전 반응에 대한 이론 연구 결과를 토대로 촉매 순환에 대한 이해를 깊이 할 수 있었다.
※ 리간드 : 착물에서 중심원자를 둘러싸고 결합되어 있는 이온 또는 분자의 총칭.
※ DFT 계산 : 밀도범함수 이론을 이용하여 분자 내부의 전자 분포와 에너지를 양자역학으로 계산함.
이윤호 교수는 “니켈을 이용한 질소산화물(NOx) 전환 촉매 반응은 환경오염과 관련된 NOx 종을 전환하여 감소시키는 것뿐만 아니라, 환경친화적으로 화학산업에 유용한 물질을 생산하기 위한 새로운 핵심기술을 제공한다는 면에서 중요한 의미를 갖는다”고 말했다.
또한, 후속 연구를 통해 니켈 촉매 반응의 생성물인 옥심의 생성 효율을 개선하고, 다양한 유기물 합성에 해당 촉매 반응을 적용하여 그 활용성을 높이고자 한다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 2월 14일 온라인 공개되었으며 정식출간본 표지논문으로 선정되었다.
