`컴퓨터 계산`으로 최적 촉매 찾는다

KIST 하정명·함형철 박사팀
메탄가스서 에틸렌 촉매 발굴
메탄 원료 효율적 활용 가능


반복된 실험이 아닌 간단한 컴퓨터 계산을 통해 최적화된 촉매를 찾을 수 있는 기술을 국내 연구진이 내놨다. 많은 시간과 자원을 투입해야 하는 실험실이 아닌 컴퓨터에서 여러 후보물질을 빠른 시간에 탐색해 우수한 활성을 지닌 촉매를 손쉽게 발굴할 수 있는 길이 열렸다.

한국연구재단은 하정명·함형철 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀이 컴퓨터 계산을 활용해 메탄가스에서 '화학산업의 쌀'로 불리는 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

메탄은 천연가스나 바이오가스의 주성분으로, 석유화학공정이나 매립쓰레기에서 얻을 수 있어 연료나 화학제품 원료로 주목받고 있다. 하지만, 연료가 아닌 화학제품 원료로 사용하기 매우 어렵다. 메탄을 공기 중 산소와 반응시켜 에틸렌으로 바꾸는 반응이 완전히 밝혀지지 않아 적합한 촉매를 찾을 수 없기 때문이다.연구팀은 시행착오를 동반하는 막대한 양의 실험 대신 적은 수의 실험 결과와 컴퓨터를 이용한 양자역학 계산으로 촉매 후보물질을 설계하고, 높은 활성을 지닌 촉매를 만드는 기술을 개발했다.

그동안 촉매를 개발하려면 촉매 후보물질의 반응성을 일일이 확인해야 했다. 통상적으로 실험실에서 촉매를 합성하는 데 평균 1주일이 소요됐고, 촉매의 화학반응 및 특성분석에 또 1∼2주가 걸렸다.

컴퓨터 계산을 촉매 개발에 적용하면 하나의 촉매 후보군의 반응성을 판단하기까지 최소 한 달 가량 걸리던 것을 수일 내로 단축시킬 수 있게 된다. 연구팀은 이런 방법으로 촉매후보물질 65종 중 네오디뮴이 첨가된 스트론튬타이타네이트 촉매가 메탄의 산화를 돕는 높은 활성을 보이는 것을 알아냈다. 이 촉매의 선택도는 48.9%로, 기존 선택도(55.0%)보다 높아 메탄 원료를 보다 효율적으로 활용할 수 있음을 확인했다.

하정명 KIST 박사는 "실험만으로 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계방법을 개발한 것으로, 향후 저가의 천연가스에서 고부가가치 화학제품을 생산할 수 있는 기술 개발에 노력하겠다"고 말했다.이 연구결과는 촉매화학 분야 국제 학술지 '저널 오브 카탈리시스(지난 10일자)'에 게재됐으며, 과기부와 연구재단의 사업을 지원받아 연구가 수행됐다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr