무한반복 실험 대신 컴퓨터로…'메탄→에틸렌' 촉매 설계

KIST 하정명·함형철 박사팀 성과…"고부가가치 화학제품 생산 가능"

한국연구재단은 하정명·함형철 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀이 컴퓨터 계산을 통해 메탄가스에서 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾아냈다고 29일 밝혔다.

메탄은 매장량이 풍부한 천연가스 성분 대부분을 차지한다.

쓰레기로부터 생산하는 바이오가스 주성분이기도 하다.

화학제품 원료로 주목받으나, 현재로서는 난방·수송용 연료 외에 활용 범위가 넓지 않다.

메탄을 에틸렌으로 전환해 다양한 화학제품으로 만드는 '메탄 산화이량화 반응'이 있기는 한데, 반응을 끌어내는 딱 맞는 촉매를 찾기 어려웠다.

명확한 촉매 활성 원인을 파악하지 못한 채 경험적인 실험으로 촉매 개발을 하고 있다는 뜻이다.

연구팀은 시행착오를 동반하는 막대한 양의 실험 대신 적은 수의 실험 결과와 컴퓨터를 이용해 촉매 후보물질을 설계했다.

촉매 합성·화학반응 특성 분석·촉매 후보군 반응성 판단 등 기존 패러다임에서 한 달 정도 걸리던 시간을 수일 내로 단축했다.

연구팀은 압축된 촉매 후보 물질 65종 중 네오디뮴을 첨가한 스트론튬타이타네이트 촉매가 메탄 산화를 돕는 높은 활성을 보이는 것을 확인했다.

촉매 선택도는 55.0％를 기록해 기존 스트론튬타이타네이트 촉매 선택도(48.9％)를 크게 웃돌았다.

메탄 원료를 더 효율적으로 활용할 수 있게 된 것이다.

촉매 선택도를 1％만 높여도 공정 경제성은 크게 좋아진다.

하정명 박사는 "많은 자원이 투입되는 촉매 합성과 유사 실험 반복 대신 비교적 간단한 양자역학 계산을 활용해 실험 횟수를 줄이고 최적의 촉매 제조 방법을 얻었다"며 "앞으로 저가의 천연가스로부터 고부가가치 화학제품을 생산하는 상용 기술을 개발할 것"이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 10일 '저널 오브 카탈리시스'(Journal of Catalysis)에 실렸다.

/연합뉴스