더 효율적인 디젤을 만들 수 있게 하는 나노촉매

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-15

KU 루벤(KU Leuven)과 위트레흐트 대학(Utrecht University)의 연구진은 연료를 제조하기 위한 새로운 방법을 개발했다. 이 새로운 방법은 훨씬 더 청정한 디젤을 제조하는데 사용될 수 있다. 이것은 산업에 빠르게 확장될 수 있다. 5년에서 10년까지, 우리는 새로운 청정 디젤로 구동되는 자동차를 볼 수 있을 것이다. 연료를 제조하는데 촉매가 필요하다. 이런 물질들은 원재료를 연료로 변환하기 위해서 화학적 반응들을 발생시킨다. 이런 디젤의 경우에, 작은 촉매 입자들은 원재료의 분자를 효율적으로 변환시키도록 원재료에 첨가되고, 원하는 재료를 생산할 수 있다. 나노크기에서 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 능력은 촉매의 기능을 향상시키는데 활용될 수 있다. 또한 이 기능성 촉매의 경우에도 놀라운 효과를 가질 수 있고, 고품질 디젤 연료를 제공하기 위해서 화석 및 재생 가능한 탄화수소원의 수소화분해(hydrocracking)에 중요하다. 촉매들은 한 개 이상의 화학적 기능들을 가질 수 있다. 특정 연구에 사용되는 촉매는 두 개의 기능을 가진다. 이런 기능들은 다음과 같은 두 개의 서로 다른 재료에 의해서 발생된다: 금속(백금)과 고체-상태 산. 디젤을 위한 제조 프로세스 동안에, 분자들은 금속과 산 사이를 왕복한다. 분자가 재료 중의 한 개와 접촉할 때마다, 이것은 조금씩 변화된다. 이 프로세스의 끝에서, 분자들은 디젤 연료를 제조한다. 이것은 촉매 속의 금속과 고체-상태 산이 가능한 한 서로 가깝게 존재해야 한다고 알고 있다. 이것은 분자들이 더 빠르게 왕복함으로써 제조 프로세스를 가속시키는데 도움을 준다. Johan Martens 교수와 Krijn de Jong 교수는 이런 가정이 잘못되었다는 것을 발견했다. 촉매 속에서 금속과 고체-상태 산이 나노미터 정도 떨어져 있다면, 이 프로세스는 더 청정한 연료를 위한 더 나은 분자를 산출한다. “우리의 연구결과는 우리가 예상했던 것과 정반대이다. 그래서 우리는 이 샘플이 바뀌었거나 분석 도중에 어떤 것이 잘못되었다고 생각했다”고 Martens가 말했다. “우리는 이 실험을 3번 반복했다. 그런데도 동일한 결론을 얻었다. 따라서 현재의 이론은 잘못되었다. 촉매 속의 두 개의 요소 간에 최소한의 거리 이상으로 떨어져 있어야 한다. 이것은 산업이 지난 50년 동안에 수행했던 것과 반대로 흘러간다”고 Martens가 덧붙였다.  이 새로운 방법은 디젤 속의 분자들을 최적화시키는데 적용될 수 있을 것이다. 이런 청정 디젤로 구동되는 자동차는 훨씬 더 적은 분진과 CO2를 방출한다. 이번 연구진은 이런 방법이 상대적으로 쉽게 산업용으로 적용될 수 있기를 바라고 있다. 그래서 새로운 디젤은 5년~10년 사이에 자동차에 사용될 수 있을 것이다. 이 새로운 기술은 석유 기반의 연료뿐만 아니라 바이오매스의 재생 가능한 탄소에도 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “Nanoscale intimacy in bifunctional catalysts for selective conversion of hydrocarbons”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature16173). 그림. 이기능성 촉매를 만드는 수소화분해 반응의 구조도. nature16173-f1.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=42093.php