질소산화물을 유용 화합물로 전환하는 기술 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 질소산화물(NOx)은 현대 사회의 주 오염 물질 중 하나다. 과도한 비료사용은 지하수 오염과 해양 녹조 현상의 원인이 되고 있으며, 배기가스로 방출되는 질소산화물은 미세먼지의 주요 원인으로 지목되고 있다.

탄소 중립 못지 않게 질소 순환도 인류의 지속 가능한 삶을 위해 해결해야 하는 문제다. 하지만 문제의 심각성에 비해 관련 기술의 발전은 아직 미비한 상황이다.

한국연구재단은 이윤호 서울대 교수 연구팀이 질소산화물(NOx)을 질소로 환원하고 더 나아가 유용한 상품으로 만들 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 개발한 새로운 니켈(Ni) 촉매 반응은 자연계의 탈질화 반응에 착안한 것으로, 질소 산화물의 환원은 물론 화학산업에 유용한 유기화합물인 '옥심(Oxime)'으로 전환할 수 있다.

자연계 내에는 질소산화물들을 환원시켜주는 일련의 촉매 시스템이 존재한다. 여기에는 서로 다른 4종류의 효소가 단계별로 관여해 질산염에서 이산화질소, 일산화질소, 아산화질소를 거쳐 질소 분자까지 순차적으로 전환시킨다.

연구팀은 이러한 자연계의 탈질화 반응에 착안해 모든 질소산화물을 질소로 전환할 수 있는 니켈 착물에 관한 연구를 지난 2019년에 발표한 바 있다. 이후 이를 산업적으로 활용할 수 있도록 후속연구를 진행했고 이번 연구에서 고부가 화합물로 전환하는 방법을 제안했다.

연구팀이 개발한 방법은 니켈을 촉매로 질소산화물을 일산화탄소와 반응시켜 탈질화하고, 이후 탄소-질소 결합을 통해 최종적으로 옥심을 생성하는 과정이다. 연구팀은 이를 통해 10여종의 옥심을 합성하는 데 성공했으며 전환수(촉매 한 분자당 반응한 분자의 수) 200 이상의 효율성을 보였다고 밝혔다.

이윤호 교수는 이번 연구가 "탈질화반응을 넘어 화학산업에 활용도가 높은 유기물질 합성에 NOx 전환을 이용한 첫 성공 사례로서 NCU(질소산화물 전환 및 활용; NOx Conversion and Utilization) 기술의 초석을 이룬 결과"라고 평가하고, 후속 연구를 통해 옥심의 생성 효율을 개선하고, 다양한 유기물 합성에 적용해 활용성을 높일 계획이라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 ‘미국화학회지(JACS)’에 2월 14일 온라인 공개됐으며 정식출간본 표지논문으로 선정됐다.

◇논문명 : Nickel Catalyzed NO Group Transfer Coupled with NOx Conversion

◇저자 : 이윤호 서울대 교수, 조경빈 전북대 교수(이상 교신저자), 수다가 파다마나반(Sudakar Padmanaban) 박사(제1저자/서울대학교)