메탄→에틸렌 촉매를 찾아라…컴퓨터의 답은?

[아이뉴스24 최상국 기자] 플라스틱의 기본 원료로, 흔히 '화학산업의 쌀'이라 불리는 에틸렌은 주로 석유정제과정에서 생산된다. 석유보다 흔한 자원인 메탄에서 직접 에틸렌을 얻으려는 연구는 다양하게 이루어지고 있지만 아직 상용화에는 이르지 못하고 있다. 메탄을 에틸렌으로 변환하는 효율성 높은 촉매를 개발하지 못했기 때문이다.

KIST 청정에너지연구센터의 하정명, 함형철 박사 연구팀은 촉매를 찾기 위해 일일이 후보물질의 반응성을 확인하는 무한반복실험을 벗어나 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적의 촉매를 찾아냈다.

연구팀이 선택한 시뮬레이션 기법은 양자역학 기반의 범밀도함수 계산. 범밀도함수(Density functional theory, DFT)는 물질내 전자의 구조를 양자역학적으로 계산하는 방법이다.

그 결과 최적의 촉매 후보물질로 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm)이 첨가된 스트론튬타이타네이트(SrTiO3)가 가장 뛰어난 촉매가 될 것으로 예측됐으며 실제로 실험을 통해 확인한 결과 Nd, Pr이 첨가된 SrTiO3가 높은 효율을 나타냈다.

메탄으로부터 에틸렌, 에탄, 프로판, 프로필렌 등의 화합물을 생산할 때 변형되지 않은 SrTiO3 촉매의 경우 48.9%의 선택도를 보였으나 Nd 또는 Pr을 첨가했을 때 선택도가 54.2 ~ 55.0%로 크게 향상됐다.

연구책임자인 하정명 박사는 “실험만으로는 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계 방법을 개발한 것”이라며 ”향후 저가의 천연가스로부터 고부가가치화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 것“이라고 계획을 밝혔다.

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

◇주저자 : 하정명 박사(공동교신저자/KIST), 함형철 박사(공동교신저자/KIST), 임서연 박사과정(제1저자/KIST)