메탄을 에너지자원으로 전환하는 ´자연계 효소 모방 촉매´ 개발

- 금속유기구조체를 이용한 메탄전환효소 활성화 부위 모방 촉매 구현

한국연구재단(이사장 이광복)은 이상엽 연세대학교 교수 연구팀이 메탄을 메탄올로 직접 전환할 수 있는 자연 효소의 활성화 부위를 모방한 금속유기물구조체(Metal-Organic Framework)1) 원리를 이용해 단원자 활성 촉매를 개발했다고 밝혔다.
  메탄은 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주성분으로 알려져 있지만, 천연가스의 주성분이기도 해 이를 미래의 연료로 활용하려는 노력이 활발하다. 그러나 메탄을 에너지 자원인 메탄올로 변화시키는 촉매작용을 일으키려면 매우 높은 온도와 압력으로 진행되는 공정이 수반되어야 하기 때문에 많은 에너지와 비용이 필요하다는 한계가 있었다.
  연구팀은 자연계에서 메탄을 메탄올로 전환시키는 pMMO(particulate Methane MonoOxygenase) 효소의 생물학적 구조를 모방한 촉매 시스템을 개발하면 보다 경제적인 메탄 전환 공정을 개발할 수 있을 것이라는 점에 착안, 효소의 활성화 부위를 모방한 금속유기구조체를 활용해 메탄 전환 효소 모방 촉매를 개발했다. pMMO 효소의 활성화 부위는 히스티딘 아미노산에 구리 이온이 배위된 구조로 이뤄져 있는데, 이 부위에서 메탄올로의 전환 반응이 일어나게 된다. 연구팀은 이 활성화 부위를 모방해 이미다졸 작용기와 금속 이온으로 구성된 제올라이트 형태의 금속유기물구조체를 형성, 이 구조체에 구리 이온을 담지하여 메탄 전환 효소를 모방한 촉매를 제작했다.
  X-ray 분석을 통해 효소의 활성화 부위와 유사한 구조를 가진 단일 구리 원자 활성화 부위가 형성됐음을 확인한 연구팀은 이 부위에서 발현되는 메탄의 전환 반응에 대한 메커니즘을 제시할 수 있었다. 개발된 촉매는 기존의 금속유기구조체 기반의 메탄 전환 촉매들과 비교해 향상된 메탄 전환 특성을 나타냈으며, 특히 기존 대비 손쉽게 제작할 수 있다는 특징을 나타냈다.
  연구팀은 이번 연구 성과에 대해 “부생가스 활용 및 탄소자원화 전략과 연계하여 활용될 수 있을 것으로 기대된다”며 “지속적인 연구를 통해 셰일 가스2)의 상업화 가능 기술개발 및 기술이전 등으로 연계하여 화학 산업의 발전뿐만 아니라 국내 온실가스 저감에도 기여할 수 있을 것으로 예상하고 있다”고 밝혔다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스리파이너리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 8월 3일 게재됐다.

[주요 연구내용 설명]

1. 연구의 필요성

셰일가스는 전 세계가 주목하는 새로운 가스 자원으로, 현재까지 확인된 매장량은 187조 m3로, 부존 자원량이 가장 많은 자원임. 기술개발에 따라 셰일가스 및 천연가스의 생산량은 점차 증가하고 있지만, 활용도는 매우 낮은 수준에 머물러 있다. 유전 또는 가스전 개발에서 발생하는 부생 메탄가스는 버려지는 양이 많으므로, 이를 활용하여 합성 연료 및 화학제품으로의 전환에 대한 관심이 높아지고 있다. 따라서 메탄을 화학적으로 전환시키는 촉매 및 화학공정 기술의 중요성이 증가하고 있다.

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