실험 없이 컴퓨터 계산만으로 가능한 최적의 촉매 설계방법 개발
실험 없이 컴퓨터 계산만으로 가능한 최적의 촉매 설계방법 개발
  • 김윤진 기자 ( yunjin.k@thekbs.co.kr)
  • 승인 2019.10.16 16:44
  • 매거진 : 2019년 09월호
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한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 하정명 책임연구원, 임서연 학생연구원
한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 함형철 책임연구원

[더케이뷰티사이언스]  한국과학기술연구원의 하정명, 함형철 박사 연구팀이 컴퓨터 계산을 통해 메탄가스에서 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾아냈다. 천연가스, 바이오가스의 주성분인 메탄은 석유와 비교해 러시아, 미국, 중국 등을 중심으로 매장량이 풍부하고 하수 슬러지(sewage sludge)1, 음식물 쓰레기에서 합성이 가능해 연료, 화학제품 원료 등으로 주목받아왔다. 이에 메탄을 활용할 수 있는 잠재력이 높은 반응으로 메탄을 공기 중의 산소와 반응시켜 에틸렌으로 전환하고 다양한 화학제품으로 전환하는 메탄 산화이량화(Oxidative coupling of methane, OCM) 반응이 있지만, 이에 대해 완전히 밝혀지지 않아 적합한 촉매를 찾기 어려워 실용화되지 못했다. 전 세계적으로 매장된 수많은 천연가스 자원 중, 석유로만 생산 가능했던 합성수지, 플라스틱 등 다양한 화학제품을 메탄을 이용해 생산할 수 있다는 것이 이번 연구의 핵심이다.

하정명 책임연구원(왼쪽), 함형철 책임연구원(가운데), 임서연 박사과정(오른쪽)

연구팀은 컴퓨터를 이용한 양자역학 기반의 범밀도함수(Density functional theory, DFT)2 계산 방법을 수행하여 다양한 촉매 구조를 컴퓨터로 설계하고 촉매 구조에 따라 메탄이 촉매 표면에서 어떻게 변화할지 이론적으로 예측하면서 메탄의 고부가가치화가 가능한 촉매 후보 물질을 탐색했다. 보통 실험실에서 촉매를 합성하는 데 걸리는 시간이 평균 1주, 화학반응 특성분석에 걸리는 시간 1~2주가 소요되는 점을 감안한다면, 이는 하나의 촉매 후보군 반응성에 대해 판단을 내리는 한 달가량의 소요시간을 크게 단축한 것이다.

범밀도함수 계산결과를 바탕으로 촉매 후보물질 65종류 가운데 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr)이 첨가된 스트론튬타이타네이트(SrTiO³)3 촉매가 메탄으로부터 에틸렌 제조에 높은 활성을 보임을 확인했다. 석유화학산업의 경우 선택도 1% 향상으로도 공정 경제성에 큰 영향을 미치는데, 기존 SrTiO3 촉매의 선택도(48.9%) 대비 Nd 혹은 Pr이 첨가된 SrTiO3 촉매에서는 약 15% 가까이 향상된 54.2~55%의 선택도를 보였다.

이는 메탄 산화이량화 반응과 같이 정확히 파악되지 않은 경우에도 범밀도함수 계산방법과 같은 양자역학 모델을 이용해 반응 촉매를 설계할 수 있다. 이를 통해 막대한 횟수의 촉매 반응 실험에 수반되는 시행착오를 크게 줄일 수 있게 되었다. 즉, 석유 의존도가 높은 국내 화학회사들이 다양한 자원활용을 통해 원료 다변화를 달성할 수 있는 새로운 전기를 마련했다는 사실을 의미한다.

연구 배경은.

신재생에너지인 바이오가스의 주성분인 메탄은 전 세계적으로 매장량이 풍부하고 음식물 쓰레기 등에서 합성도 가능해 연료 및 화학제품 원료 등으로 주목받아왔다. 메탄을 일산화탄소로 전환해 다양한 화학제품을 만드는 연구가 많이 수행되어 왔으나, 온실가스 감축 및 자원 낭비 문제로 메탄을 직접 화학제품으로 전환할 수 있는 연구가 필요했다.

연구하면서 어려웠던 점은.

메탄 전환 에틸렌 생산 반응의 경우, 관련 연구 내용과 맞지 않았다. 원유증류 과정에서 에틸렌을 얻는 대신 메탄을 산소와 반응시켜 직접 에틸렌을 제조하려고 했으나, 완전히 밝혀지지 않은 반응 때문에 적합한 촉매를 찾기가 어려웠다. 때문에 다양한 촉매 구조를 컴퓨터로 직접 설계하고 그 구조에 따라 메탄이 어떻게 변할지를 예측하면서 계산과 실험을 진행했다.

이번 연구의 가장 큰 차별점은.

일반적으로 촉매를 개발하는 실험실에서는 수십, 수백, 수천 번의 반응 실험으로 최적의 촉매를 탐색해야 한다. 후보 물질에 따라 많은 시간을 필요로 하게 되는데, 이번 연구를 통해 컴퓨터 계산으로 적은 수의 실험만으로 최적의 촉매를 개발할 수 있었다.

그림 1. 메탄으로부터 생선된 에틸렌으로 얻어지는 다양한 화학제품.
그림 1. 메탄으로부터 생선된 에틸렌으로 얻어지는 다양한 화학제품.
그림 2. 양자역학 계산을 통한 천연가스 전환 최적촉매 개발.
그림 2. 양자역학 계산을 통한 천연가스 전환 최적촉매 개발.

실용화될 수 있는 분야는.

에틸렌의 경우 다양한 화학제품으로 전환해 플라스틱 가공 산업, 의약품 및 화장품 산업, 섬유산업, 고무 산업 등의 분야에 활용 가능하다. 또한 핵심 촉매 기술 이외에도 다양한 분리 정제, 통합공정 설계 등의 관련기술과 연계해 실용화가 가능한데, 다양한 공정 조건에서 반응성을 확인해야 한다.

다음 목표는.

저가 천연가스에서 고부가가치 화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 계획이며, 공정 전문가들과 공동연구를 수행하여 이번 연구의 상용화를 통해 국내 많은 화학 업체들의 원료를 다양화할 수 있기를 희망한다.


1. 슬러지: 하수처리 또는 정수과정에서 생긴 침전물. 오니(汚泥)라고도 한다.

2. 범밀도함수: 물질의 전자 구조를 양자역학적으로 계산하는 방법.

3. 스트론튬타이타네이트(SrTiO3): 금속산화물인 페로브스카이트의 일종


논문명

Combined experimental and density functional theory (DFT) studies on the catalyst design for the oxidative coupling of methane

저자

하정명, 함형철, 임서연

게재 저널

Journal of Catalysis, 7월 10일 게재

연관 정보

과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업


Combined experimental and density functional theory (DFT) studies on the catalyst design for the oxidative coupling of methane

ABSTRACT

Catalytic descriptors were studied to design optimum catalysts for the oxidative coupling of methane (OCM) by combining density functional theory (DFT) calculations and actual reaction experiments. SrTiO3 perovskite catalysts, selected for OCM, were modified using metal dopants, and their electronic structures were calculated using the DFT method. The CH3 adsorption energy Eads(CH3) and the oxygen vacancy formation energy Ef(vac) exhibited volcano-type correlations with the C2+ selectivity and O2-consumption for the formation of COx, respectively. The optimum catalytic activity, represented by the C2+ selectivity, was obtained for Eads(CH3) = −2.0 to −1.5 eV, indicating that overly strong adsorption of methyl radicals (or easily dissociated CH bonds of methane) and relatively insufficient oxygen supplementation to the catalyst surface improve deep oxidation to CO and CO2. Praseodymium (Pr)- and neodymium (Nd)-doped SrTiO3 catalysts confirm the DFT-predicted optimum electronic structure of the OCM catalysts.

KEYWORDS

Density functional theoryOxidative coupling of methanePerovskiteMethyl radical adsorption


 


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