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'메탄올 경제'로 한 걸음 더…경제성 갖춘 상온 추출법 진전

송고시간2021-07-16 16:34

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알코올의 가장 단순한 형태인 메탄올(CH₃OH)은 메탄(CH₄)이 주성분인 천연가스에서 저렴한 비용으로 추출할 수 있다면 천연가스 사용 방식을 근본적으로 바꿔놓을 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

그 방법이 몹시 까다로워 애를 먹어왔는데, 메탄올 경제로 한 걸음 더 나아갈 수 있는 연구 결과가 나와 주목을 받고 있다.

미국 스탠퍼드대학교에 따르면 이 대학 화학 교수 에드워드 솔로몬이 이끄는 연구팀은 메탄을 메탄올로 바꾸는 촉매인 '철(Fe) 함유 제올라이트'(zeolite)를 지속해서 활성화할 수 있는 방안을 규명한 연구 결과를 과학 저널 '사이언스'(Science)에 발표했다.

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제올라이트 촉매 산업화하면 천연가스 활용법 바뀔 수도

철 함유 제올라이트의 새장 효과
철 함유 제올라이트의 새장 효과

적색과 황색 구체는 산소와 철을 나타내는 활성화 영역이며 회색 구조는 실리콘과 알루미늄, 산소 등으로 된 새장 구조를 나타낸다. 청색 구체는 활성화 영역에서 자유롭게 드나들 수 있는 최대 분자크기를 나타낸다. 메탄의 지름은 ~4.2 Å(옹스트롬·0.1㎚)

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 알코올의 가장 단순한 형태인 메탄올(CH₃OH)은 메탄(CH₄)이 주성분인 천연가스에서 저렴한 비용으로 추출할 수 있다면 천연가스 사용 방식을 근본적으로 바꿔놓을 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

천연가스나 수소보다 보관이나 운송이 훨씬 용이할 뿐만 아니라 천연가스 처리·운송 과정에서 메탄이 새어 나와 지구 기온을 끌어 올리는 온실가스 역할도 차단할 수 있다.

하지만 그 방법이 몹시 까다로워 애를 먹어왔는데, 메탄올 경제로 한 걸음 더 나아갈 수 있는 연구 결과가 나와 주목을 받고 있다.

미국 스탠퍼드대학교에 따르면 이 대학 화학 교수 에드워드 솔로몬이 이끄는 연구팀은 메탄을 메탄올로 바꾸는 촉매인 '철(Fe) 함유 제올라이트'(zeolite)를 지속해서 활성화할 수 있는 방안을 규명한 연구 결과를 과학 저널 '사이언스'(Science)에 발표했다.

현재 메탄에서 메탄올을 추출할 때는 초고압 상태에서 섭씨 1천 도의 고열을 가하는 값비싼 처리 과정을 거치고 있다.

철 함유 제올라이트가 이런 과정을 거치지 않고도 상온에서 천연가스의 메탄을 메탄올로 바꿀 수 있는 촉매로 알려져 있다. 메탄이 제올라이트의 공극을 통과하면서 열이나 압력을 가하지 않고도 메탄올로 바뀔 수 있지만, 메탄을 얼마 처리하지 못하고 비활성화되는 문제를 안고 있었다.

과학자들이 이런 제올라이트의 한계를 극복하기 위한 방안을 연구해 왔는데, 솔로몬 교수 연구팀은 제올라이트의 물리적 구조에서 해법을 찾아냈다.

연구팀은 첨단 분광기를 활용해 가장 유망한 철 함유 제올라이트 두 종의 철을 둘러싼 크리스털 격자 구조를 분석했으며, 이 격자 구조의 공극 크기에 따라 제올라이트의 재활성화가 극적으로 차이가 나는 점을 발견했다.

천연가스 수송관 건설 현장
천연가스 수송관 건설 현장

[이타르타스=연합뉴스]

이 격자 구조의 공극이 너무 크면 단 한 번의 화학반응만으로도 비활성화된 뒤 재생되지 못하지만, 이 공극이 좁으면 메탄올을 생성하는 철 활성 장소와 반응물질 간의 상호작용을 조절할 수 있는 것으로 나타났다. 철에 수소를 뺏긴 메틸기(CH₃)가 공극이 좁을 땐 빠져나가 다른 철이 있는 장소를 비활성화하지만 공극이 작을 때는 인근에 붙잡혀 메탄올을 형성하는 것으로 분석했다.

연구팀은 철을 둘러싼 격자 구조가 새장(cage)을 닮았다고 해서 이를 '새장 효과'라고 지칭했다.

연구팀은 이 새장 효과를 늘려 비활성화된 곳의 40%를 반복적으로 활성화할 수 있었으며, 이는 산업적 규모의 생산을 향한 상당한 개념적 진전으로 지적됐다.

논문 제1저자인 버클리 캘리포니아대학의 벤저민 스나이더 박사는 "비활성화된 곳을 재생해 지속해서 활성화하는 촉매 순환이 언젠가는 천연가스에서 메탄올을 추출하는 것을 경제적인 것으로 만들 것"이라고 했다.

연구팀은 그러나 경제성을 갖춘 메탄올 추출로 메탄올 경제를 달성하는 데는 차기 연구과제로 삼고있는 일반 산소 활용 방안을 비롯해 넘어야 할 산이 많은 것으로 지적했다.

eomns@yna.co.kr

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