이번 연구를 수행한 연구진. 홍석원(왼쪽부터) GIST 교수, 이창희 LG화학 박사, 강창묵 GIST 박사과정생, 김세용 GIST 박사.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST)은 화학과 홍석원 교수 연구팀이 이산화탄소와 에틸렌을 활용하여 고부가가치 석유화학 원료인 아크릴산나트륨을 합성할 수 있는 세계 최고 수준의 안정성과 효율성을 확보한 촉매를 개발했다고 밝혔다.

전환수(TON) 570의 효율성과 수율 82%의 생산 효율을 달성한 이번 연구 성과는 세계 최고 수준의 전환수를 기록하는 한편 수율 면에서도 기존 한계를 뛰어넘는 혁신을 이룬 것이다.

기저귀 등 위생제 용도로 사용되는 고흡수성 고분자(SAP) 소재의 핵심 원료인 아크릴산나트륨은 전 세계적으로 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

아크릴산나트륨은 주로 프로필렌을 고온에서 산소와 반응시키는 방식으로 합성되고 있으나 이 과정은 에너지 효율성과 환경적 측면에서 개선이 필요하다는 평가를 받는다.

이에 따라, 탄소 배출 감소와 고부가가치 화학 물질 생산의 두 가지 목적을 달성할 수 있는 대안으로 이산화탄소와 에틸렌을 활용한 합성 기술이 주목받고 있다.

하지만 이 기술은 촉매 분야에서 매우 도전적인 과제로 꼽힐 만큼 구현이 매우 어려울 뿐만 아니라 기존 촉매들의 낮은 전환수와 수율은 실제 공정에서 활용하기 어려워 이에 대한 연구가 요구되어 왔다.

연구팀이 개발한 촉매는 전환수 최고 기록을 달성(효율 TON 570)하면서도 수율이 82%에 이르렀고, 전환수 312에서는 수율 99%를 기록했다. 기존 기술의 한계를 극복한 혁신적 결과를 통해 이산화탄소를 활용한 화학 공정에 새로운 가능성을 열었다.

연구팀은 견고하고 평면적인 구조를 갖춘 니켈(0) 화합물 촉매를 개발하여 기존 촉매 대비 뛰어난 안정성과 효율성을 확보했다. 이러한 구조적 특성은 촉매의 반응 안정성을 극대화하고, 성능 저하를 최소화할 수 있다.

또한 부산물은 물에 녹지 않고, 생성물인 아크릴산나트륨만 물에 잘 녹는 간단한 물 추출법을 통해 생성된 소듐 아크릴레이트를 높은 수율로 분리할 수 있어 공정의 단순화 가능성 또한 입증하였다.

홍석원 교수는 “기존 공정의 한계를 극복하고 이산화탄소와 에틸렌을 활용한 고효율 아크릴산나트륨 합성 기술의 실현 가능성을 한 단계 끌어올렸다”면서 “향후 아크릴산 합성을 포함한 다양한 화학 공정에서 탄소 저감과 고부가가치 소재 생산에 실질적으로 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘저널 오브 CO2 유틸라이제이션’에 12월 18일 온라인 게재됐다.