[지금은 과학] 메탄→메탄올, 에너지자원으로 전환한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 지구 가열화의 주범 중 하나인 메탄을 메탄올로 전환할 수 있는 ‘자연계 효소 모방 촉매’가 나왔다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 이상엽 교수(연세대) 연구팀이 메탄을 메탄올로 직접 전환할 수 있는 자연 효소의 활성화 부위를 모방한 금속유기물구조체(Metal-Organic Framework) 원리를 이용해 단원자 활성 촉매를 개발했다고 23일 발표했다.

금속유기물구조체(MOF, Metal-Organic Framework)는 다공성 고체로 기공 안에 기체를 가두거나 특정 기체만 잡아낼 수 있어 기체 저장장치, 센서, 촉매 재료로 주목받는 차세대 소재를 말한다. 단위구조를 이루는 금속과 유기물의 조합이 바뀌면 단위구조의 모양이 바뀌거나 화학적 성질이 달라져 새로운 종류의 금속유기물구조체가 된다.

메탄은 지구 가열화를 일으키는 온실가스의 주성분으로 알려져 있다. 천연가스의 주성분인데 이를 미래 연료로 활용하려는 노력이 활발하다. 메탄을 에너지 자원인 메탄올로 변화시키는 촉매작용을 일으키려면 매우 높은 온도와 압력으로 진행되는 공정이 뒤따라야 한다. 많은 에너지와 비용이 필요하다는 한계가 있었다.

연구팀은 자연계에서 메탄을 메탄올로 전환시키는 pMMO(particulate Methane MonoOxygenase) 효소의 생물학적 구조를 모방한 촉매 시스템을 개발하면 보다 경제적 메탄 전환 공정을 개발할 수 있을 것이라는 점에 착안했다.

효소의 활성화 부위를 모방한 금속유기구조체를 활용해 메탄 전환 효소 모방 촉매를 개발했다. pMMO 효소의 활성화 부위는 히스티딘 아미노산에 구리 이온이 배위된 구조로 이뤄져 있다. 이 부위에서 메탄올로 전환 반응이 일어난다.

연구팀은 이 활성화 부위를 모방해 이미다졸 작용기와 금속 이온으로 구성된 제올라이트 형태의 금속유기물구조체를 형성, 이 구조체에 구리 이온을 담아 메탄 전환 효소를 모방한 촉매를 제작했다.

X-ray 분석을 통해 효소의 활성화 부위와 비슷한 구조를 가진 단일 구리 원자 활성화 부위가 형성됐음을 확인했다. 연구팀은 이 부위에서 발현되는 메탄의 전환 반응에 대한 메커니즘을 제시할 수 있었다.

이상엽 교수는 “부생가스 활용과 탄소자원화 전략과 연계해 활용될 수 있을 것으로 기대된다”며 “연구를 지속해 셰일 가스 상업화 가능 기술개발, 기술이전 등으로 연계해 화학 산업 발전뿐 아니라 국내 온실가스 저감에도 이바지할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

연구 성과(논문명:Methane partial oxidation by monomeric Cu active center confined on ZIF-7)는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 8월 3일자에 실렸다.