환경기술특허연구회

프로필렌 생산 촉매 속 백금 100분의 1로 줄였다

2025.05.12 10:49

갈륨(Ga)과 백금(Pt)이 분업해 프로판 탈수소화 공정(PDH)에서 촉매로 작용하는 과정을 설명한 모식도. KAIST 제공

프로필렌(propylene)은 플라스틱, 섬유, 자동차 부품 등 석유화학 제품 생산의 핵심 원료다. 국내 연구팀이 프로필렌을 효율적으로 생산할 수 있는 촉매를 개발했다. 기존 촉매에 들어가는 값비싼 백금(Pt) 성분을 100분의 1로 줄였다.

KAIST는 최민기 생명화학공학과 교수팀이 값싼 금속인 갈륨(Ga)을 기반으로 기존 상용 촉매에 활용되는 백금을 100분의 1로 줄인 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다. 연구결과는 2월 13일(현지시간) 국제학술지 '미국화학회지(JACS)'에 공개됐다.

프로필렌은 프로판(propane)이라는 물질에서 수소(H)를 떼어내는 프로판 탈수소화 공정을 통해 생산한다. 이 과정에서 백금 촉매는 탄소와 수소 사이의 결합을 끊어 수소를 제거하는 데 효과적이다. 귀금속인 백금은 가격이 비싸고 반복해서 사용하면 성능이 저하된다는 단점이 있다.

연구팀은 갈륨과 알루미나(Al2O3)가 결합한 갈리아-알루미나 촉매를 활용해 백금 사용을 최소화한 촉매를 설계했다.

갈륨은 프로판의 탄소(C)-수소 결합을 활성화해 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성한다. 백금은 수소 원자들을 결합해 수소 기체(H2)로 전환해 촉매 표면에서 제거한다. 두 금속이 역할을 분담하는 방식으로 백금 사용량을 줄이면서 기존 촉매 성능을 유지하는 아이디어다.

연구팀은 이상적인 갈륨과 백금 조성 비율을 과학적으로 찾아내 최적화했다. 기존 촉매에서 촉매를 반복 사용할수록 백금 입자가 뭉쳐 성능이 급격히 떨어지는 소결 현상도 해결했다. 세륨(Ce)을 소량 첨가해 백금 입자의 뭉침을 억제한 것이다. 개발된 촉매는 20회 이상 반응과 재생을 반복한 뒤에도 촉매 성능이 안정적으로 유지됐다.

연구팀은 향후 대규모 공정 실증과 상업화 가능성도 검토할 예정이다. 산업 현장에 적용될 경우 프로필렌 생산의 경제성과 효율성이 크게 향상될 것으로 기대된다.

최 교수는 "백금 사용량을 기존 대비 100분의 1 수준으로 줄이면서도 성능을 유지하거나 오히려 향상할 수 있다는 가능성을 제시했다"며 "촉매 비용 절감, 교체 주기 감소, 폐촉매 감소 등 경제적·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있다"고 설명했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/jacs.4c13787

출처: https://www.dongascience.com/news.php?idx=71599