플라스틱 제조 촉매에 쓰는 백금 사용량 100분의 1로 줄여…"해외선 실용화 추진"
KAIST가 기존대비 100배이상 효율이 좋고 경제적인 플라스틱 제조 촉매를 개발했다. 실증과 상용화에도 연구팀은 관심이 있지만, 쉬워 보이진 않는다. 이 촉매는 플라스틱이나 섬유, 자동차 부품, 전자제품 등을 생산하는데 반드시 들어가는 프로필렌을 저렴하고 효율적으로 생산할 것으로 기대됐다. 기존 프로필렌 제조에는 백금 촉매가 꼭 필요하다. 백금은 무색·무취의 가연성 기체인 프로판에서 프로필렌으로 변환하는 활성이 뛰어나 원료비가 비싸지만, 주로 사용한다. KAIST 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀은 이 백금을 기존 대비 최소 100분의 1만 사용하면서도 성능은 더 뛰어난 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다. 연구팀은 백금이 극소량 첨가된 갈리아-알루미나 촉매를 이용, 프로판 탈수소화(PDH) 반응에 적합한 최적의 촉매 구성을 찾았다. 촉매 활성과 안정성을 높이기 위해 백금과 갈륨 역할을 정밀하게 분석하고, 두 촉매 기능이 최적의 균형을 이루는 조건을 도출했다. 이 촉매에서 갈륨은 프로판의 탄소와 수소 결합을 끊는 역할을 한다., 백금은 생성된 수소 원자들을 재결합시켜 수소기체로 방출한다. 연구팀은 이 두 기능이 특정 비율을 유지할 때 최적의 프로판 탈수소화 반응 성능을 보이는 것을 확인했다. 또 촉매 장기 안정성을 개선하기 위해 세륨 도핑 기술을 적용했다. 세륨은 촉매 표면에서 백금 입자의 응집을 억제, 소결을 방지한다. 연구팀은 이런 방식으로 촉매를 만든 결과 촉매 1g당 백금 사용량이 기존 방식은 1만~7천ppm(0.7%)이지만, 이들은 100ppm(0.01%)만으로도 더 높은 활성을 나타냈다고 설명했다. 또 이 촉매는 20회 이상 반응-재생 주기에서도 높은 활성을 유지했다. 생명화학공학과 이수성 연구생(박사과정)은 "촉매 생산 효율과 내구성이 좋아 기존 상용 프로판 탈수소화 공정에서 사용되는 촉매를 대체할 것으로 기대한다"고 말했다. 최민기 교수는 “이번 연구는 백금 사용량을 획기적으로 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. 최 교수는 "공정 등의 분야에서 어려움이 많긴 하지만 향후 대규모 공정 실증과 상업화 가능성도 검토할 예정"이라며 "일부 해외 기업은 실용화 단계에 도달한 것으로 보인다"고 덧붙였다.
