전남대학교 화학과 나경수 교수 연구팀(화학과)과 고경철 교수(화학교육과)는 이론적 예측을 기반으로 선택적으로 메탄을 전환하여 메틸 클로라이드를 합성하는 촉매 개발에 성공했다.
메틸 클로라이드는 고무 생산, 석유 정제 등 산업적으로 다양한 반응에 활용되는 물질로 본 연구팀에서는 메탄과 염소를 반응시키는 메탄 염소화 방법을 통해 메틸 클로라이드의 생산 방법을 연구했다. 메탄 염소화 반응에서는 염소의 높은 반응성으로 인해 촉매 수명이 단축되고 원하는 물질을 선택적으로 합성하기 어렵다는 문제가 존재한다.
나경수 교수 연구팀은 선택적으로 메틸 클로라이드 합성을 위해 전남대 화학교육과 고경철 교수 연구팀과 협력하여 염소의 반응성을 낮출 수 있는 제올라이트 촉매를 이론적으로 예측했
그 결과 전이금속의 도입에 따라 촉매의 전자구조 변화가 일어날 수 있으며 이에 따라 선택성이 바뀔 수 있을 것을 확인하였다. 특히 아연의 경우 계산 예측 결과로 보았을 때 염소의 반응성을 효과적으로 낮출 수 있을 것이라 예상됐다.
이론 계산을 기반으로 실제 촉매를 합성하여 실험에 적용하였을 때, 예측된 결과와 같이 전이금속에 따라 반응성이 달라짐을 확인했다.
아연이 도입된 촉매의 경우 5시간의 운행에도 높은 메틸 클로라이드 생성물 선택성이 유지될 정도로 안정성이 뛰어났다.
여러 가지 실험적 분석 기법 및 이론적 접근을 통해 이 현상을 해석하였을 때, 높은 촉매 안정성은 아연의 도입으로 인한 촉매의 전자구조 변화로 인해, 메탄과 염소가 1:1의 비율로 반응에 참여하기 때문임을 규명했다.
이번 연구 내용은 이산화탄소에 비해서 온실가스 기여도가 25배가 넘는 것으로 알려져 있는 메탄을 고부가화할 수 있는 촉매를 이론화학적으로 예측하고 제안하였음은 물론, 메틸클로라이드를 고선택적으로 생산할 수 있는 실용적 촉매를 개발하였다는 점에서 과학적·기술적 가치가 높다는 평가를 받고 있다.
이번 연구에는 전남대 화학과 나경수 교수가 연구책임자로 참여했고, 대학원생인 최유열(석박사통합과정), 박성현(석사), 권승돈(석박사통합과정), 고경철 교수(화학교육과)가 참여했다.
한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 재료화학저널(Journal of Materials Chemistry A, IF: 14.511)에 중요 논문(Hot Paper) 및 표지 논문(Front Cover)으로 2022년 12월 14일 게재됐다.
특히, 나경수 교수 연구팀은 지난 11월에 이어 온실가스 감축 연구와 관련하여 동일 저널(Journal of Materials Chemistry A)에 두 달 연속 중요 논문과 표지 논문으로 논문을 발표하는 등 온실가스의 전환 연구에 앞장서고 있다.
*논문명: Controlled electropositive catalytic sites on zeolites for achieving high CH3Cl selectivity via electrophilic CH4 chlorination using Cl2 (Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 24437-24954)
