가스화를 통한 직접 올레핀 생산 (석탄에서 메탄올을 만들고, 메탄올에서 올레핀을 만드는 방식의 종말)

Thread Content

　최근, 중국과학원 다롄화학물리연구소(이하 ‘다롄화물연구소’)의 바오신허 원사와 판수리안 연구원이 이끄는 연구팀은 90년 이상 석탄화학 산업에서 사용되어 온 피셔-트롭슈 방식을 뒤집고, 가스화 과정에서 생성된 합성가스(정제된 CO와 H2의 혼합 기체)를 직접 사용하여 새로운 형태의 복합 촉매의 도움으로 고선택성을 가진 단일 반응을 통해 저탄소 알케인을 얻는 데 성공했습니다.이 연구 성과는 3월 4일 미국의 《사이언스》(Science) 저널에 발표되었으며, 해당 반응 과정은 중국 특허와 국제 PCT 특허로 출원되었습니다.이 성과는 동료들로부터 “석탄 전환 분야의 이정표적인 중대한 돌파구”라는 찬사를 받았습니다.이 성과와 관련된 연구는 **자연과학기금(21321002, 21425312, 21222305, 91545204) 등의 지원을 받았습니다. 　　독일의 과학자인 피셔와 트롭슈는 1923년에 석탄을 합성가스로 전환하여 고탄소 화학물질과 액체 연료를 생산하는 F-T 공정을 발명했습니다.이 과정은 완벽하지는 않습니다. 예를 들어, 많은 양의 이산화탄소가 발생할 뿐만 아니라 많은 양의 물도 소모되며, 생성물의 선택성도 낮고 후속 처리에도 많은 에너지가 필요합니다. 하지만 국제적인 에너지 및 화학 산업계에서는 이 과정이 대체 불가능하다고 여기고 있습니다.현재 이 과정은 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 머물던 한계(Schulz-Flory 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 분리되며, 이 C 원자와 O 원자는 촉매 표면에 흡착된 수소와 반응하여 메틸기(CH2) 중간체를 형성하고, 동시에 물 분자가 생성된다.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 공정에서는 부분 환원된 복합 산화물을 촉매로 사용합니다. CO 분자는 촉매의 산소 결함 부위에 흡착된 후 분해되며, 기체 상태의 수소 분자는 분해된 C 원자와 선택적으로 반응하여 메틸 라디칼을 생성합니다. 한편, 촉매 표면에서 CO가 분해되어 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 공동으로 들어가 공동 내의 제한된 환경에서 선택적인 결합 반응을 거쳐 저탄소 올레핀을방향 지정적으로 생성함으로써, **생성물의 선택성을 향상시킨다.분자체의 기공과 산성 특성을 조절함으로써, 생성물 분자를 제어하여 변화시킬 수 있다. 　　이러한 혁신은 H2 대신 CO를 사용함으로써 탄화수소 생성 과정에서 발생하는 불필요한 산소 원자를 제거합니다. 그 결과, CO2의 총 배출량은 변하지 않으면서도, 에너지와 물을 많이 소비하는 수소가스 전환 반응을 생략할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 원리적으로 물 사용량이 적은(구조상 물 순환이 필요 없는) 석탄 전환의 새로운 방법이 만들어진 것입니다.동시에, 창의적인 방법을 통해 산화물 촉매와 분자체를 복합화함으로써 CO 활성화와 중간체 결합이라는 두 가지 촉매 활성 중심을 효과적으로 분리할 수 있었습니다. 이를 통해 전통적인 피셔-트롭슈 기술에서 “무분별하고 제어되지 않게” 생성되던 “자유라디칼”을 분자체라는 “장치” 안에 가둠으로써 그 행동을 제한했으며, 그 결과 우리가 원하는 목표 제품인 저탄소 올레핀을 얻을 수 있었습니다.전통적인 촉매 반응에서 활성과 선택성이 서로 상반되는 ‘시소’ 문제를 해결함으로써, 고효율 촉매와 촉매 반응 과정의 설계에 있어 지침을 제공했다. 　　새로운 발명의 과정은 물 절약과 공정상의 CO2 배출 감소(공정 단축, 에너지 소비 절감) 외에도 매우 높은 경제적 효과를 가집니다.중국석화공정건설유한공사(SEI)의 예비 평가에 따르면, 현재의 조건 하에서는 해당 프로젝트의 내부수익률(IRR)이 14% 이상에 달할 수 있다.국내외 여러 화학 회사들이 이 공정의 추가적인 응용 및 확산에 큰 관심을 보이고 있습니다.철저한 평가와 협의를 거쳐, 현재 다롄화학물질연구소는 국내의 주요 화학기업들과 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. 　　이 단 하나의 연구만으로도 해당 팀은 9년이 넘는 시간을 투자했으며, 합페이 동기 방사선 광원을 비롯한 국내 여러 연구 기관들과 협력하여 다양한 자체 개발된 고성능 연구 장비를 사용했습니다.