제올라이트 바이오연료 생산 촉매의 최적화

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-11

미국 매사추세츠 대학 애머스트 캠퍼스(University of Massachusetts Amherst) 소속의 전산 화학자인 Scott Auerbach는 미국 국립과학재단(NSF; National Science Foundation)으로부터 3년에 걸쳐 33만 달러의 자금을 수여받았으며, 이러한 자금은 석유 대신 식물 바이오매스(plant biomass)로부터 휘발유와 같은 연료를 제조하는 촉매 공정을 최적화하고 기본적인 이해를 개선하는 것을 목표로 한다. 이 연구는 바이오매스에서 유래한 유기화합물을 제올라이트의 한정된 공간에서 액체 연료 전구체로 전환하는데 관여하는 복잡한 촉매 반응의 이해를 목표로 하는 이론적인 계산을 포함하는 한편, 코킹 생성(coke formation)으로 기인한 불활성화를 피하는 것을 목표로 한다. Auerbach는 새로운 이론적 접근을 채용하고, 이에 동시에 실험 자료의 벤치마킹을 적용할 계획이다. 50년 이상, 화학자와 화학 공학자들은 제올라이트(zeolites)에 의해 영감을 받은 합성 촉매를 이용하여 원유를 정제해왔다고 Auerbach는 설명했다. 제올라이트는 형태-선택적인 촉매 반응(shape-selective catalysis)을 통하여 석유를 고옥탄가 휘발유로 만드는 탄화수소 분자를 전환시키는 적절한 크기와 형태를 가지는 작은 분자 크기의 기공이 균일하게 배열되어 있는 특성을 가진다. 제올라이트는 전통적으로 흡수체로서 사용되고 있는 물질이지만, 동시에 다른 물질 속에서 특정 물질을 분리하거나 포집하기 위한 필터나 체(sieve)의 역할도 수행할 수 있다. 현대 화학 산업에서 가장 중요한 촉매들은 때로 말썽을 부린다. 따라서 결정들을 통해 지나야 하는 물질들은 때로는 막히기도 하고 잘 반응하지도 못한다. 거의 모든 의약, 연료 및 다른 화학제품들은 유효기간 동안의 어느 순간에는 촉매와 접촉하게 된다. 촉매들은 한 재료가 다른 재료로 바뀌는 반응, 예를 들면 원유가 석유로 변환되는 것과 같은 반응을 돕게 된다. Auerbach와 전 세계 제올라이트를 연구하는 과학자들은 제올라이트가 셀룰로오스와 같은 식물 바이오매스를 휘발유로 전환하는데 사용될 수 있는지 여부에 의문을 가지고 다양한 연구를 수행하고 있다. 바이오연료를 만들기 위하여 제올라이트를 적용하는 데 있어서 난제는 바이오매스(biomass)가 탄수화물, 글루코오스와 같은 당 및 셀룰로오스와 같은 전분 등으로 이루어져 있으며, 이러한 재료들이 제올라이트의 기공 내에 매우 다양하게 반응한다는 점이다. Auerbach는 탄수화물이 제올라이트 기공에서 어떻게 반응하는지를 이해하기 위하여 컴퓨터 화학(computational chemistry)을 적용할 계획이다. 컴퓨터 화학은 연료를 만드는 원자의 움직임(atomic dance)을 규명하는 인류에게 알려진 가장 강력한 현미경의 일종을 제공한다고 Auerbach는 밝혔다. 석유와 바이오매스 정제 모두에서 극복해야 할 또 다른 문제는 제올라이트는 코크스(coke)라고 알려진 탄소 시트를 생성하는 부반응을 촉진한다. 코우킹(coking) 현상은 미세 기공(microscopic pores)을 막히게 함으로써 제올라이트 촉매를 불활성화시킬 수 있다. "만약 우리가 화학적 경로가 어떻게 될지를 안다면 코크스로 이어질 수 있는 화학적 경로를 피할 수 있을 것이다. 그러나 우리는 아직까지 화학적 경로가 어떻게 진행될 것인지 알지 못하고 있다. 만약 우리가 원하는 코크스 분자가 어떻게 형성되는지 규명할 수 있다면, 우리는 코크스가 형성되는 불활성화 경로를 상상할 수 있다"고 Auerbach는 밝혔다. 제올라이트 기반의 정유에서 코크스 형성의 문제는 오랜 시간 연구되어 왔다. Auerbach는 탄소 부가 반응에 대한 견해를 얻기 위하여 미시적 가역성에 주목하고, 보다 더 간단한 탄소-탄소 결합 분해 공정을 조사함으로써 독특한 이론적 접근을 이용한 이러한 공정을 이해하는 새로운 시간을 찾고 있다. Auerbach는 탄소 결합의 형성과 분해의 정확한 에너지론을 얻기 위하여 소프트 기업인 SCHROEDINGER사와 협력하여 그의 실험실에서 개발된 컴퓨터 촉매 반응의 몇 가지 측면을 채용 및 확장하는 한편, 동적 구조물(framework dynamics)과 원거리력(long-range forces)의 효과를 결합하여 시뮬레이션 시간을 관리할 수 있도록 유지할 것이다. http://www.greencarcongress.com/2015/12/20151209-umass.html