서울과학기술대학교 노인수 교수
서울과기대 정문.
서울과학기술대학교 노인수 교수
노 교수가 새로 개발한 불균일 촉매(heterogeneous catalyst)는 기존 산업계에서 사용하던 균일 촉매(homogeneous catalyst)와 비슷한 96%의 선택도(selectivity)를 보일 뿐 아니라, 사용 후 생성물 분리 및 재활용을 할 수 있어 정제를 위한 폐수 감소와 공정의 경제성 향상을 보일 것으로 기대된다.
알킨 하이드로포밀레이션 반응은 알킨, 일산화탄소, 수소를 알데하이드로 전환하는 데 사용되어 왔다. 알데하이드는 주로 가소제, 의약품, 윤활제 등을 만드는 데 사용된다.
로디움 기반 균일 촉매는 우수한 활성과 선택성 때문에 현재 화학 공정에서 널리 사용되고 있지만, 균일 촉매의 특성상 촉매로부터 생성물의 분리 및 촉매의 재활용이 어려운 단점을 가지고 있다. 특히, 귀금속 중에서 가장 고가인 로디움 금속(백금 가격의 약 16배)의 촉매 재활용이 공정의 경제성 향상을 위해서 꼭 필요한 실정이다. 또한, 균일 촉매는 공정 후에 촉매로부터 생성물의 분리가 어려워 폐수 발생량이 증가하는 등의 문제점도 지니고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 알킨 하이드로포밀레이션 반응에서 균일 촉매를 대체할 불균일 촉매를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
로디움-텅스텐 단원자 쌍 촉매의 에틸렌 하이드로포밀레이션 이중 기능(bifunctional) 반응 메커니즘: 로디움-텅스텐 단원자 쌍 촉매 내 텅스텐 단원자에 에틸렌이 흡착되고, 흡착된 에틸렌이 로디움 단원자로 이동하는 방식을 통해 제2의 활성점(제1의 활성점: 로디움 단원자)으로 작용하고 있다. 로디움과 텅스텐 단원자가 모두 반응에 참여하는 이중 기능(bifunctional) 메커니즘을 통해 낮은 선택성을 초래했던 일산화탄소에 의한 로디움 금속의 피독 현상을 해결하였다.
이에 노 교수와 캘리포니아대 연구팀은 로디움 금속의 입자 크기를 단원자로 줄이고, 텅스텐 산화물을 로디움 단원자 옆의 원자 단위 거리에 위치시킴으로서 해당 공정에서의 선택성을 극대화했다.
텅스텐이 단원자 구조로 로디움 단원자 옆에 위치(로디움-텅스텐 단원자 쌍)할 때, 텡스텐 단원자가 에틸렌을 흡착하는 방식으로 제2의 활성점(제1 활성점: 로디움 단원자) 역할을 수행한다는 것이다.
로디움-텅스텐 단원자 모두 반응에 참여하는 이중 기능(bifunctional) 메커니즘을 통해, 기존 낮은 선택성을 초래했던 일산화탄소에 의한 로디움 금속의 피독 현상을 해결했으며 해당 반응에서 무려 96%의 선택도를 기록했다.
96%의 선택도는 기존 로디움 기반 균일 촉매와 상응하는 선택도로, 현재까지 불균일 촉매를 이용한 공정에서는 보고된 적이 없는 높은 반응성이다.
9월 8일자 네이처지 표지.
이번 연구 결과는 9월 8일(목) 출판된 네이처지에 게재됐다.
강동영 기자 kdy184@donga.com