프로필렌은 플라스틱, 섬유, 자동차, 전자 등 다양한 제품 생산의 필수 원료로, 공급이 기존 석유화학 기반 나프타 분해공정 생산에서 프로판 탈수소화(PDH) 반응 생산으로 전환되고 있다.
PDH 반응에서 고가의 백금 촉매는 높은 활성과 선택성이 장점이지만, 재생 중 백금입자가 뭉치는 소결현상이 발생해 성능이 급격히 저하되는 문제가 있다.
산업계는 이를 방지하기 위해 주석이나 아연을 첨가하고 있지만, 장기적인 안정성 문제를 완전히 해결하지 못한 상황이다.
프로필렌 생산비용 절감 촉매기술 개발
KAIST 생명화학공학과 최민기 교수팀이 저렴한 금속 갈륨과 알루미나를 첨가해 백금을 극소량만 사용해도 되는 촉매를 개발했다.
이 기술을 활용하면 공정에 필요한 백금 농도를 기존 1만 ㏙에서 100㏙으로 줄일 수 있다.
연구팀이 개발한 새 촉매는 갈륨이 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화시켜 수소를 떼어내 프로필렌을 생성하고, 백금은 표면에 남은 수소원자를 결합시켜 수소기체로 전환해 촉매 표면에서 제거한다.
이처럼 두 금속이 역할을 분담해 백금 사용량을 1/100로 줄이면서도 생산성을 유지할 수 있다.
특히 연구팀은 최적의 성능을 갖는 백금과 갈륨의 비율을 찾아 이를 과학적으로 설명하고 예측가능 한 정량지표도 제시했다.
이를 위해 연구팀은 프로필렌 승온 탈착실험으로 갈륨 표면에서 실제 반응할 수 있는 활성 갈륨의 양을 측정하고, 수소-중수소 동위원소 교환반응을 이용해 백금의 수소 재결합 능력을 분석했다.
분석결과 두 촉매 기능이 특정 비율을 유지할 때 최적의 프로판 탈수소화 반응 성능을 보임을 확인했다.
아울러 연구팀은 기존 백금 촉매의 주요 약점인 반복사용에 따른 소결 문제도 해결했다.
연구팀은 세륨을 소량 첨가해 백금 입자의 뭉침을 억제, 20회 이상의 반응과 재생을 반복해도 촉매 성능이 안정적으로 유지됨을 입증했다.
최 교수는 “이번 연구는 백금 사용량을 기존 대비 1/100 수준으로 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다”며 “촉매비용 절감과 교체주기 감소, 폐 촉매 감소 등 경제·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있다”고 설명했다.
이어 “향후 대규모 공정 실증을 거쳐 산업현장에 적용할 경우 프로필렌 생산의 경제성과 효율성이 크게 향상될 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 KAIST 이수성 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 화학 및 화학공학 분야 최고 권위 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society(JACS)) 지난 2월 13일자에 게재됐다.
(논문명: Ideal Bifunctional Catalysis for Propane Dehydrogenation over Pt-Promoted Gallia-Alumina and Minimized Use of Precious Elements / https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13787)
