《네이처》, 중국의 석탄 기반 올레핀 생산 분야에서 이루어진 획기적인 성과 확인: 고효율·저에너지 소비

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《네이처》, 중국의 석탄을 이용한 올레핀 생산 기술에서 획기적인 진전 확인: 고효율·저에너지 소비 작성자/출처: 날짜: 2016-03-07 클릭 수: 16 최근, 국제적으로 권위 있는 《네이처》지가 중국의 과학기술 분야에서 또 하나의 획기적인 성과를 확인했습니다. 3월 4일, 전인대 대표이자 중국과학원 다롄화학물리연구소(이하 ‘다롄화물연구소’)의 연구원이며 중국과학원 원사인 바오신허가 이 최신 연구 성과를 공개했습니다. 　　알려진 바에 따르면, 보신허 원사(현 복단대학교 부총장이자 교수)와 판수리엔 연구원이 이끄는 팀은 가스화를 통한 직접적인 올레핀 생산 연구에서 중대한 성과를 거두었습니다. 이들은 90년 이상 석탄화학 산업에서 사용되어 온 피셔-트롭슈 공정을 대체했습니다. 그들은 높은 물 소비량과 에너지 소비가 필요한 수소 생산 과정을 버리고, 가스화 과정에서 생성된 합성가스(정제된 CO와 H2의 혼합기체)를 직접 사용함으로써, 새로운 형태의 복합 촉매를 활용해 고선택성으로 저탄소 올레핀을 한 단계 만에 얻어냈습니다. 이는 전통적인 석탄화학 촉매 반응에서 발생하는 활성과 선택성 사이의 상반된 문제를 해결한 것으로, 효율적인 촉매와 촉매 반응 과정 설계에 있어 중요한 지침이 될 것입니다.이 성과는 업계에서 “석탄 전환 분야의 이정표적인 중대한 돌파구”로 평가받고 있습니다. 《네이처》, 중국의 석탄을 이용한 가스 생산 분야에서 이루어진 획기적인 성과 확인: 고효율·저에너지 소비. 3월 4일, 베이징에서 전국적으로 유명한 백신화 원사가 중국과학원 물리연구소에서 그 성과를 발표했습니다. 　　올레핀은 현대 산업에서 가장 중요한 원자재 중 하나입니다.우리나라의 올레핀은 주로 석유 정제를 통해 얻어지며, 그에 따른 비용과 환경적 부담이 매우 큽니다. 이러한 상황에서 석유화학 산업을 대체할 수 있는 석탄화학 산업은 최근 우리나라가 모색하고 있는 새로운 에너지 발전 방안 중 하나입니다. 　　이 연구 성과는 3월 4일 미국의 《사이언스》(Science) 저널에 발표되었으며, 중국 특허와 국제 PCT 특허 출원도 완료되었습니다.《과학》지는 같은 호에 “놀라운 선택성”(Surprised by Selectivity)이라는 제목의 전문가 논평 기사를 실었으며, 이 과정이 향후 산업 분야에서 엄청난 경쟁력을 갖게 될 것이라고 평가했다. 　　1923년, 독일의 과학자인 피셔와 트롭슈가 석탄을 합성가스로 전환하여 고탄소 화학물질과 액체 연료를 생산하는 피셔-트롭슈 공정을 발명했습니다.이 과정은 완벽하지는 않으며, 많은 양의 이산화탄소가 발생할 뿐만 아니라 많은 양의 물도 소모되고, 생성물의 선택성도 낮아 후속 처리에 많은 에너지가 필요하지만, 국제 에너지 및 화학 산업계에서는 여전히 이 과정을 대체할 수 없다고 여기고 있습니다. 　　현재 이 과정은 중국과학원 다롄화학물질연구소의 연구진에 의해 뒤바뀌었습니다. 그들은 물과 에너지 소비가 많은 수소생산 방식인 수소가스 변환법을 버리고, 가스화 과정에서 생성된 혼합가스(정제된 후)를 직접 사용하여 선택적으로 저탄소 올레핀을 얻어냅니다.CO의 단방향 전환율이 17%일 때, 저탄소 탄화수소 생성물의 선택성은 94%에 달하며, 그중 저탄소 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부틸렌)의 선택성은 80% 이상입니다.전통적인 페토 합성 공정에서 저탄소 올레핀의 선택성이 최대 58%에 불과했던 한계(SF 한계)를 깨뜨렸습니다. 　　전통적인 피셔-토로우(F-T) 공정은 금속(환원 상태)을 촉매로 사용한다.CO 분자는 금속 촉매 표면에서 활성화되어 C 원자와 O 원자로 분리됩니다. 이 C 원자와 O 원자는 촉매 표면에 흡착된 수소와 반응하여 메틸기(CH2) 중간체를 형성하며, 동시에 물 분자가 생성됩니다.메틸렌 중간체는 이동 삽입 반응을 통해 촉매 표면에서 자유 중합을 일으켜, 탄소 원자 수가 다른(1개부터 30개까지, 때로는 수백 개의 탄소 원자를 가진) 탄화수소 생성물을 만들어낸다.전체 반응의 탄화수소 생성물은 탄소 원자 수의 분포가 넓으며, 목표 생성물의 선택성이 낮다.동시에, 이 과정에서는 금속 촉매 표면에서 CO가 분해되어 생성된 O 원자를 제거하기 위해 많은 양의 수소가 필요합니다. 그리고 이 귀중한 수소는 수소화 가스 변환 과정(CO + H2O → H2 + CO2)을 통해 얻어집니다. 수소화 가스 변환 과정은 에너지 소비가 많은 과정이며, 대량의 CO2도 발생합니다. 　　대련화학물리연구소의 연구진이 개발한 공정은 부분 환원된 복합 산화물을 촉매로 사용합니다. CO 분자는 촉매의 산소 결함 부위에 흡착된 후 분해되며, 기체 상태의 수소 분자는 분해된 C 원자와 선택적으로 반응하여 메틸렌 자유기를 생성합니다. 한편, 촉매 표면에서 CO가 분해될 때 생성된 산소 원자들은 다른 CO 분자와 반응하여 CO2를 형성합니다.전통적인 F-T 과정과 달리, 산소 결함 위치에서 생성된 메틸렌 자유라디칼은 촉매 표면에 머물거나 표면에서 중합 반응을 일으키지 않고, 대신 빠르게 분자체의 구멍 속으로 들어가서 그 제한된 환경에서 선택적인 결합 반응을 거쳐 저탄소 올레핀을방향 지정적으로 생성함으로써, **생성물의 선택성을 향상시킨다.분자체의 기공과 산성 특성을 조절함으로써, 생성되는 분자를 제어하여 변형시킬 수 있다. 《네이처》는 중국의 석탄을 가스로 전환하는 데 있어서 이루어진 획기적인 성과를 확인했습니다. 이 성과는 H2 대신 CO를 사용함으로써 탄화수소 생성 과정에서 발생하는 불필요한 산소 원자들을 제거하는 것입니다. 그 결과, CO2의 총 배출량은 변하지 않으면서도, 에너지와 물을 많이 소비하는 수소화 반응을 피할 수 있게 되었습니다. 이는 원리적으로 물을 거의 사용하지 않고 석탄을 가스로 전환할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것입니다. 이로써 **총리가 오랫동안 관심을 가져온 “물을 사용하지 않거나 적게 사용하여 석탄화학공정을 진행할 수 있는가?”라는 문제에 대한 해답이 마련된 것입니다. 　　동시에, 바오신허 원사의 팀은 창의적인 방법을 통해 산화물 촉매와 분자체를 복합화함으로써, CO 활성화와 중간체 결합이라는 두 가지 촉매 활성 중심을 효과적으로 분리해냈습니다. 이를 통해 전통적인 피셔-트롭슈 기술에서 “무질서하게 성장하는” 자유라디칼들을 “분자체”라는 ‘감옥’ 안에 가두어, 그들의 움직임을 제한함으로써 최종적으로 우리가 원하는 목표 생성물(저탄소 올레핀)을 얻을 수 있었습니다.전통적인 촉매 반응에서 활성과 선택성이 서로 상반되는 ‘시소’ 문제를 해결함으로써, 고효율 촉매와 촉매 반응 과정의 설계에 있어 지침을 제공했다. 　　바오신허 원사 팀의 새로운 발명 과정은 물 절약과 공정상의 CO2 배출 감소(공정 단축, 에너지 소비 절감) 외에도 매우 높은 경제적 효과를 가지고 있습니다.중국석화공정건설유한공사(SEI)의 예비 평가에 따르면, 현재의 조건 하에서는 해당 프로젝트의 내부수익률(IRR)이 14% 이상에 달할 수 있다. 　　“과학기술은 ‘에너지 혁명’을 뒷받침해야 한다.”바오신허는 국내외 여러 화학 회사들이 이 공정의 추가적인 응용 및 확산에 큰 관심을 보이고 있다고 말했습니다.철저한 평가와 협의를 거쳐, 현재 다롄화학물질연구소는 국내의 주요 화학기업들 및 해외의 유명한 화학회사들과 초기 합의에 도달했습니다. 이들은 촉매 제조 및 공정 개발 등의 분야에서 협력하여, 가능한 한 빨리 산업적 실증과 상용화를 이루고자 합니다. 또한 이러한 독창적인 성과를 진정한 생산력으로 전환하기 위해 노력하고 있습니다. 　　20년 이상 피토 공정을 이용한 올레핀 생산(FTTO) 연구에 종사해온 독일 BASF사의 슈바브 박사는 이 공정의 기본적인 원리를 알게 된 후 실망하여 말했습니다. “왜 우리가 먼저 이 아이디어를 생각해내지 못했을까?””바오신허 원사는 자랑스럽게 대답했습니다. “여러분이 생각해낸 아이디어들이 이미 많으니, 이제는 우리 차례입니다.” 　　이런 말을 할 수 있는 자신감은 우수한 연구팀의 수십 년에 걸친 노력과 중국의 점점 향상되는 과학기술 연구 역량에 기반을 두고 있습니다. 단지 이 한 가지 연구만으로도 해당 팀은 9년이 넘는 시간을 투자했으며, 합페이 동기 방사선 소스를 포함한 국내 여러 연구기관들과 협력하여 다양한 자체 개발된 첨단 연구 장비를 사용했습니다.이 기간 동안 팀은 여러 건의 중국 발명특허와 국제 PCT 특허를 출원한 것 외에, 관련 연구 논문을 하나도 공개적으로 발표하지 않았습니다. 　　해당 프로젝트의 연구는 **자연과학기금위원회, 과학기술부, 그리고 중국과학원의 전략적 선도 과학기술 프로젝트의 지원을 받았습니다. 원문의 제목은: 《자연》, 중국의 석탄을 이용한 가스 생산 분야에서 이룬 획기적인 성과 확인: 고효율·저소비. 분명히 잘못된 것입니다. 석탄으로 만든 올레핀이어야 합니다.