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.

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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.