한국과학기술원(KAIST)은 최민기·김형준 교수 공동 연구팀이 자연계 촉매인 '효소'를 모방해 효율을 높인 산업용 촉매를 개발했다고 30일 밝혔다. 지구상에 존재하는 촉매 중 가장 효율이 높은 촉매는 자연계와 우리 몸속에 존재하는 효소 단백질이다.
효소는 반응물을 전환할 수 있는 촉매 활성점이 단백질로 둘러싸인 형태로 돼 있는데, 오직 원하는 반응물만이 활성점에 접근해 생성물로 전환될 수 있다.
반면 석유화학 산업에 주로 쓰이는 촉매는 알루미나·실리카 등 무기물 표면에 금속을 퍼뜨린 구조로 이뤄져 있는데, 이런 형태의 촉매는 모든 반응물이 흡착되기 쉬워 특정 반응물만 선택적으로 전환하기 어렵다. 그런데도 딱딱한 무기 소재를 사용하는 이유는 열화학적 안정성이 뛰어나 촉매가 안정적으로 작용하기 때문이다.
연구팀은 단백질처럼 부드러우면서도 열화학적 안정성이 높은 '폴리페닐렌설파이드'(PPS)라는 고분자를 이용, 효소처럼 고분자 막으로 촉매 활성점인 금속을 감싼 형태의 촉매를 개발했다.
새로운 촉매를 나프타(중질 가솔린)를 분해해 에틸렌을 생산하는 석유화학 공정에 적용, 불순물을 선택적으로 제거하는 데 성공했다.
에틸렌에는 불순물인 아세틸렌이 미량 섞여 있어 이를 수소화 반응으로 제거해주는 공정을 거쳐야 한다.
에틸렌은 건드리지 않으면서 1% 미만의 극미량 아세틸렌만 선택적으로 전환하는 기술이 관건이다.
새로 개발한 촉매를 이 공정에 적용한 결과 아세틸렌은 금속을 둘러싼 고분자 막을 투과해 쉽게 전환됐지만, 에틸렌은 고분자막에 가로막혀 촉매 반응이 진행되지 않았다. 기존 팔라듐(Pd) 촉매와 비교해 선택도는 2배 이상, 안정성은 10배 이상 높다고 연구팀은 설명했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 지난 8일 자에 실렸다.