일산화탄소 탈수소효소(CODH) 중간체 모사 화합물(한국연구재단 제공)© News1

국내 연구진이 일산화탄소를 메탄올, 합성 천연가스 등 대체연료로 전환할 수 있는 촉매를 개발했다.

한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 이윤호 교수 연구팀이 일산화탄소 탈수소효소/아세틸 조효소A 생성효소(CODH /ACS) 반응을 모사해 니켈 기반의 전이금속 촉매를 개발했다고 24일 밝혔다.일산화탄소는 합성 천연가스, 메탄올 등 대체연료를 비롯해 다양한 화학물질로 전환될 수 있어 산업적으로 활용 범위가 넓다.

그러나 일산화탄소는 금속 촉매와 너무 강하게 결합해 촉매의 활성을 떨어뜨리고, 원하는 특정 물질로의 선택적 전환이 쉽지 않은 한계가 있다. 때문에 이를 극복할 새로운 개념의 촉매 디자인이 필요하다.

이에 연구팀은 자연계의 생체효소를 체계적으로 모사해 일산화탄소에 의해 촉매 활성이 저해되지 않는 획기적인 일산화탄소 전환 촉매 기술을 개발했다.연구팀은 CODH/ACS 효소의 활성자리인 3개의 황 원자로 배위된 니켈 금속을 모방하기 위해 다양한 세 자리 리간드(착화합물 속에서 중심 원자에 결함돼 있는 이온 또는 분자)를 이용한 니켈 화합물을 합성하고, 금속-탄소화합물의 전환반응을 유도했다. 일산화탄소에서 특정 물질로의 선택적 전환이 가능해진 것이다.

또 인 또는 질소가 중심에 위치한 리간드를 사용해 금속이 각각 사면체 구조, 사각평면 구조를 선호하도록 유도했다. 이러한 기하학적 구조는 반응 속도가 향상되도록 기여했다.

특히 일산화탄소가 금속 촉매 활성을 억제하는 문제를 성공적으로 해결하기 위해 경직성이 강한 리간드를 도입했다. 이를 통해 산화수에 따라 니켈 화합물 구조를 조절, 니켈과 일산화탄소 간의 결합을 해리시킬 수 있게 됐다.

이윤호 교수는 “이번 연구로 경직성 리간드를 활용해 금속 구조의 선택성을 높이고, 일산화탄소 탈락 또는 전환이 용이한 촉매 기술을 개발했다”며 “일산화탄소 반응에 포함되는 다양한 전이금속 촉매 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, 1월 17일)와 어카운트 오브 케미칼 리서치(Accounts of Chemical Research, 4월 10일)에 실렸다.


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