산화티탄 등 광촉매라고 하면 더러움이나 냄새의 분해가 유명한다. 이 촉매의 산화, 환원력을 사용한 광촉매 합성반응이 환경에 친화적인 그린케미스트리(GC)의 면에서 주목되고 있다. ‘빛이 시약’이므로 광촉매의 현탁수에 원료를 넣고 자외선 등을 쏘이면 된다. 반응시약이 불필요하며 상온상압에서 가능한 등 에너지 절약, 고효율이므로 메리트가 크다. 화학, 제약기업도 흥미를 나타내고 있어 가시광화가 진행되면 태양광으로 물건 만들기도 할 수 있다고 꿈을 펼쳐가고 있다. 산화티탄 등 반도체의 광촉매는 원리적으로 산화와 환원의 두 반응을 거의 동시에 일으키는 성질이 있다. 자외선을 받으면 광촉매에서 전자가 여기하여 환원작용을 보이는 한편, 생성된 정공이 산화작용을 발휘한다. 더러움이나 균의 분해에는 강한 산화력을 이용하는데 합성에는 두 반응을 활용할 수 있다. 광촉매, 물, 원료, 자외선 램프와 반응용기만 있으면 되고, “산화제, 환원제 등의 첨가나 그 분리, 처리가 불필요하다는 것이 가장 큰 매력”이라고 北海道대학 촉매화학연구센터의 大谷文章 교수는 말한다. 일반 합성이 열반응인데 대해, 광반응이므로 상온상압이면 되는 것도 크다. 광원 스위치를 끄면 반응도 멈추기 때문에 안전성도 높다. 광촉매 반응 자체는 약 20년전부터 연구되어 왔는데, 환경에 친화적인 화학합성, GC의 관점에서 재평가되고 있다. 이들 메리트를 발휘한 구체적인 예로서 名古屋대학 공학연구과의 吉田壽雄 조교가 성공한 메탄에서의 수소, 에타놀 동시합성을 들 수 있다. 메탄에서 연료전지용 수소 등을 얻는 일반법은 고온고압이 필요하다. 메탄을 화학원료로 보다 유용한 에탄 등으로 바꾸는 것도 보통은 일단 합성가스(일산화탄소와 수소)로 바꾸어 재합성하는 수고가 필요하다. 吉田 조교는 광촉매로서 희토류 원소인 세륨을 사용, 상온상압의 1단계에서 진행시키는데 성공했다. 보다 높은 부가가치의 정밀화학품을 대상으로 할 경우, 몇 단계를 밟는 복잡한 반응공정이 종종 1단계로 끝나 버리는 것도 광촉매이기 때문이다. 예를 들면 값싼 광학활성 아미노산인 L-리신에서 가격으로서는 100만 배나 되는 의약품 중간체인 L-피페콜린산을 합성할 수 있다. 피페콜린산은 바이오법으로 실용화되어 있는데, 광촉매라면 ①아미노기의 산화 ②가수분해를 동반하는 2중결합의 환상화(環狀化) ③2중결합에 대한 환원의 3단계가 한꺼번에 일어난다고 大谷 교수는 설명한다. 또 광촉매법의 가능성을 가일층 높일 수 있는 접근으로서 주목되고 있는 것은 가시광의 이용이다. 태양광에는 자외선보다도 가시광이 압도적으로 많이 포함되어 있기 때문이다. 오염분해 등에 사용하는 광촉매의 가시광화는 최근 일대 토픽. 산화티탄의 산소를 질소로 치환하는 방법으로 개발이 진행되고 있다. 이에 대해 九州공업대학의 橫野照尙 교수는 유황에 플러스를 띠게 하여 티탄과 치환한 촉매를 개발. 화학합성이 어려운 포트레디스트 원료, 아다맨타놀의 가시광에서의 광촉매 합성에 성공했다. 내외 6개 사와 공동연구에 들어갔다고 한다. 橫野 교수는 ‘태양광 하에서 자연적으로 고기능 화학품이 합성반응을 진행할 수 있다면’하고 희망하고 있다. 자연에너지를 사용한 합성이 앞으로 가능하게 되면 가열, 가압이 일반적인 화학합성에 비해 실비용이 대폭 떨어질 것이다. 유기합성반응은 의약품용 생활활성물질 등을 제외하고 많은 유기원료는 물에 녹지 않기 때문에 일반적으로 합성은 유기용매 속에서 이루어지고 있다. 즉 광촉매가 수계(水系)에서 작용한다는 것은 유기합성의 적용 예를 늘리는데 커다란 제약이 되고 있다는 것이다. 따라서 北大의 大谷 교수와 大阪대학 태양에너지 화학연구센터의 池田茂 조교수는 물과 유기용매의 경계에서 반응을 하는 ‘계면촉매’형 산호티탄 광촉매를 개발했다. 친수성인 산화티탄의 일부를 친유성으로 바꾸고, 원료 벤젠과 물의 두 층 사이에서 작용하게 하는 구졸, 페놀을 합성했다. 이 계면촉매라면 휘발성 유기화합물(VOC)로 오염된 지하수를 광촉매 분해할 때에도 위력발휘가 예상된다. 촉매로부터의 개발 어프로치는 광합성만이 아니라 광분해에도 메리트를 가져오는 확대성을 가지고 있다. 촉매능력에 주목한 컨트롤에는 橫野교수도 참여하고 있다. 큰 루틸 입자 위에 작은 아타나제 미립자를 분산시켜 두 타입의 산화티탄의 산화, 환원력에 있어 결점을 서로 보충하는데 성공. 1결정의 다른 면에서 산화, 환원 반응을 각각 일어나게 하는 시도도 하고 있다. 이들 광촉매 합성은 기초연구단계이며 수율은 아직 낮다. 그러나 통상의 합성에서는 실용화하기 어려운 특수한 정밀화학품을 타겟으로 하는 것이라면 그것은 그리 큰 문제가 아니라고 한다. 오히려 실용화 상에서의 과제는 광반응이라는 특수성에 맞는 프로세스 설계라고 보고 있다. 산화티탄의 분말현탁액에서는 대형설비로 하면 내부까지 빛이 들어가지 못하게 된다. 또 반응 후에 생성물과 산화티탄을 나누기 때문에 생성물을 이온교환수지로 제거하거나 산화티탄을 박막화하는 연구가 앞으로는 필요할 것이다. 통상의 합성설비로는 전용할 수 없기 때문에 불황 하의 기업에는 부담이 크다. 그러나 大谷 교수는 “촉매나 시약의 개량으로 한계가 있는 반응에서는 타입이 전혀 다른 광촉매 반응을 주목할 가치가 있지 않을까”하고 기업의 발상전환을 기대하고 있다. (NK)