질소산화물(NOx)의 탈질화 및 고부가화 촉매 반응 개발
니켈(Ni)의 일산화탄소(CO) 반응으로 질소 불균형 문제 해결 실마리
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이윤호 교수(서울대학교) 연구팀이 질소산화물(NOx)을 전환하고 고부가화할 수 있는 새로운 니켈(Ni) 촉매 반응을 개발했다고 밝혔다.
※ 질소산화물 : 질소와 산소로 이루어진 화합물의 통칭.
□ 산업화로 인해 유발된 탄소 순환 불균형에 못지않게 질소 순환(nitrogen cycle) 문제 또한 인류의 안전한 삶을 위협하고 있다.
ㅇ 비료의 주원료 중 하나인 질산염(NO3-)의 경우 지하수 오염 및 해수의 녹조 현상의 원인이 되고 있으며, 이산화질소(NO2), 일산화질소(NO) 및 아산화질소(N2O) 가스는 대기 오염을 유발할 뿐 아니라, 최근 문제가 되고 있는 미세먼지 생성과도 연관성이 높다.
ㅇ 해당 문제들은 지난 1세기 동안 진행된 비가역적 질소 고정(N2 fixation) 및 질산화반응(nitrification)의 결과이며, 축적된 질소산화물은 질소 순환의 불균형을 가속화하고 있으나 질산염과 같은 질소산화물들의 회귀 공정은 미비하다.
※ 질소고정(N2 fixation) : 공기 중에 다량으로 존재하는 안정한 불활성 질소 분자 (N2)를 다른 질소 화합물로 변환하는 과정. 일반적으로 암모니아를 합성함.
※ 질산화반응(nitrification) : 질화작용 이라고도 하며 암모늄 이온이 질산염으로 산화되는 과정.
□ 본 연구팀은 인류 환경 문제 및 친환경 화학산업 발전에 공동으로 기여할 수 있는 질소 활용법을 제안하고자 기존 탈질화 반응을 업그레이드하여 질소산화물 전환 및 활용(NCU, NOx Conversion and Utilization)을 위한 새로운 기술을 연구하였다.
□ 연구팀은 자연계의 탈질화 반응*에 착안, NCU를 위한 핵심기술로 니켈 촉매를 이용하여 일산화탄소를 통한 탈질화 반응과 탄소-질소(C-N) 결합 형성을 이루는 새로운 촉매 반응 개발에 성공하였다.
* 자연계의 탈질화 반응(Denitrification) : 질산염에서 이산화질소, 일산화질소 및 아산화질소를 거쳐 최종적으로 N2를 생성하는 질소 순환의 최종단계임. 각 반응은 고도로 최적화된 효소들에 의해 단계별로 이루어짐.
ㅇ 개발한 촉매 반응은 니켈-NOx 종의 탈산화 반응 이후 탄소-질소 결합을 통해 최종적으로는 옥심(Oxime)이 생성되는 반응이며, 이를 통해 10여종의 옥심을 합성하였다. 옥심은 다양한 유기물질로 전환 가능하고 화학산업에 널리 사용되는 유용한 물질이다.
ㅇ 본 촉매 반응의 핵심 단계인 탄소-질소 결합에 대한 이론 연구는 전북대학교 조경빈 교수 연구진과의 공동 연구로 진행하였다. DFT 계산 결과를 통해 아크리단 리간드의 구조적 특성이 탄소-질소 결합 반응의 활성화 에너지를 낮추는데 중요함을 알 수 있었으며, 전 반응에 대한 이론 연구 결과를 토대로 촉매 순환에 대한 이해를 깊이 할 수 있었다.
※ 리간드 : 착물에서 중심원자를 둘러싸고 결합되어 있는 이온 또는 분자의 총칭.
※ DFT 계산 : 밀도범함수 이론을 이용하여 분자 내부의 전자 분포와 에너지를 양자역학으로 계산함.
□ 이윤호 교수는 “니켈을 이용한 질소산화물(NOx) 전환 촉매 반응은 환경오염과 관련된 NOx 종을 전환하여 감소시키는 것뿐만 아니라, 환경친화적으로 화학산업에 유용한 물질을 생산하기 위한 새로운 핵심기술을 제공한다는 면에서 중요한 의미를 갖는다”고 말했다.
ㅇ 또한, 후속 연구를 통해 니켈 촉매 반응의 생성물인 옥심의 생성 효율을 개선하고, 다양한 유기물 합성에 해당 촉매 반응을 적용하여 그 활용성을 높이고자 한다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 2월 14일 온라인 공개되었으며 정식출간본 표지논문으로 선정되었다.
