일산화탄소 선택 전환 촉매 기술 개발

일산화탄소 선택 전환 촉매 기술 개발

 

미생물에서 발견되는 생체 효소를 모사해 일산화탄소를 원하는 화학 물질로 선택적으로 전환하는 핵심 기술이 개발됐다. 한국 과학 기술원 이윤호 교수 연구팀은 일산화탄소 탈수소효소/아세틸 조효소A 생성 효소(CODH/ACS) 반응을 모사해 니켈 기반의 전이 금속 촉매를 개발했다고 2018년 04월 24일 밝혔다. 일산화탄소는 합성 천연 가스, 메탄올 등 대체 연료를 비롯해 다양한 화학 물질로 전환될 수 있어 산업적으로 활용 범위가 넓다.

 

그러나, 일산화탄소가 금속 촉매와 너무 강하게 결합해 촉매의 활성을 떨어뜨리고, 원하는 특정 물질로의 선택적 전환이 쉽지 않다. 이에 연구팀은 자연계의 생체 효소를 체계적으로 모사해 촉매 활성이 저해되지 않는 일산화탄소 전환 촉매 기술을 개발했다.

 

연구팀은 활성 자리 3개의 황 원자로 배위된 니켈 금속을 모방하기 위해 CODH/ACS 효소에서 다양한 세 자리 리간드를 이용한 니켈 화합물을 합성하고, 금속 탄소 화합물의 전환 반응을 유도했다. 리간드(ligand)는 착화합물 속에서 중심 원자에 결함되어 있는 이온 또는 분자이다. 일산화탄소에서 특정 물질로의 선택적 전환이 가능해진 것이다. 인 또는 질소가 중심에 위치한 리간드(ligand)를 사용해 금속이 각각 사면체 구조, 사각 평면 구조를 선호하도록 유도했다. 이러한 기하학적 구조는 반응 속도가 향상되도록 기여했다.

 

특히 일산화탄소가 금속 촉매 활성을 억제하는 문제를 성공적으로 해결하기 위해 경직성이 강한 리간드(ligand)를 도입했다. 산화수에 따라 니켈 화합물 구조를 조절해 니켈과 일산화탄소 간의 결합을 해리시킬 수 있게 됐다. 아크리딘 기반의 리간드(ligand)를 도입해 합성한 니켈 착물에서 니켈 산화수에 따른 니켈 카르보닐 화합물의 구조 변화를 보였다. 0가 니켈에서 일산화탄소가 리간드 평면으로부터 벗어나며, 일산화탄소 탈착이 가능한 상태가 된 것이다.

 

이윤호 교수는 “이 연구는 경직성 리간드(ligand)를 활용해 금속 구조의 선택성을 높이고, 일산화탄소 탈락 또는 전환이 용이한 촉매 기술을 개발한 것”이라며, “일산화탄소가 반응에 포함되는 다양한 전이 금속 촉매 개발에 적용될 수 있어 큰 파장이 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구는 과학 기술 정보 통신부, 한국 연구 재단 지원으로 수행됐으며, 2018년 01월 17일자 미국 화학회지와 2018년 04월 10일자 '어카운트 오브 케미칼 리서치'에 게재됐다.