수용액 상에서 철 촉매를 이용한 메탄의 산화반응에 대한 연구

Abstract

메탄은 적은 양의 이산화탄소만을 배출하는 청정 에너지원으로서 이용되어왔다. 최근 셰일 가스의 개발로 인하여 메탄 생산량이 증가함에 따라 메탄을 부가가치화한 화합물로 직접 전환하는 연구가 활발해졌다. 현재 메탄을 화학 원료로 활용하는 공정은 합성가스를 거치는 간접적인 과정을 이용하는데 먼저 메탄으로부터 합성가스를 생산한 뒤, 이를 화학물질로 전환함으로써 메탄을 활용하는 것이다. 이렇게 간접적으로 메탄을 전환하는 것은 여타 원유를 활용하는 공정과 비교하여 경제적 우위에 서기 위해서는 대규모로 운영되어야 하기 때문에, 작은 규모의 가스전을 활용하기 위해선 메탄을 직접 전환하는 기술이 개발되어야 한다. 이번 연구에선 상온 근처의 저온에서, 수용액 상에서 황산철을 촉매로 이용하여 메탄을 메탄 산화체로 직접 전환하였으며, 산화제로는 과산화수소를 사용하였다. 과산화수소는 반응 액상에 직접 넣어주거나, Pd 촉매를 이용하여 수소와 산소로부터 제자리(in situ)에서 합성하여 이용하였다. 이 과정에서 황산철 존재 하에 Pd 촉매가 반응 활성을 현저하게 증진시킨다는 것을 알 수 있었다. 메탄 산화체의 수율에 대해 반응시간, pH, 산의 종류, 촉매의 양과 같은 변수들이 미치는 영향을 확인하였다. 이를 통해 반응 활성이 산의 종류에 따라 달라질 수 있다는 것을 알았으며, pH 1~2 사이에서 가장 많은 양의 생성물을 얻을 수 있었다. 또 균질계 철 촉매의 비균질화를 시도했다. Fe/ZSM-5 와 Bpy-CTF (bipyridine-covalent triazine framework)-FeCl3 촉매를 본 반응 시스템에 적용했으며, 균질계 황산철 촉매보다는 다소 촉매 활성이 낮지만Fe/ZSM-5 와 비교하였을 때 Bpy-CTF-FeCl3 촉매의 활성이 더 높은 것으로 나타났다.