식용이 아닌 저급 유지에서 기존 경유와 동일한 차세대 바이오디젤의 생산 가능성이 확인됐다. 연세대학교 노현석 교수 연구팀이 올레익산(Oleic Acid)으로부터 기존 경유와 동일한 분자 구조의 바이오디젤을 생산할 수 있는 코발트-몰리브덴 촉매를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.
바이오디젤은 식물성 기름을 원료로 해서 만든 친환경 연료로, 고갈되는 화석 연료를 대체하고 이산화탄소 배출량을 저감해줄 것으로 기대된다. 그러나 현재 생산되는 1세대 바이오디젤은 기존 경유와 분자 구조의 차이로 인한 낮은 발열량, 열적 불안정성, 높은 점성 등의 문제점이 있어, 기존 경유를 완전히 대체하기에 부적합하다.
연구팀은 올레익산을 경유와 물성이 동일한 바이오디젤로 전환해주는 탈산소 반응용 고성능 코발트-몰리브덴 촉매를 개발했다. 이를 통해 생산된 바이오디젤의 연료 특성을 측정한 결과 발열량이 기존 경유의 99.4%에 도달했다.
코발트-몰리브덴 촉매는 제조법에 따라 성능이 달라지는데, 그 중 졸-겔법으로 제조됐을 때 높은 비표면적, 작은 입자 크기, 우수한 탈산소 반응 성능이 나타났다.
기존 촉매는 고압의 수소 및 용매가 필요한 반면, 개발된 촉매는 상압의 불활성 기체 및 무용매 조건에서도 높은 성능을 나타낸다. 공정 과정이 경제적이어서 생산단가 감소에 기여한다. 특히 촉매의 전처리 및 반응 조건 조절을 통해 반응활성종과 반응경로도 밝혀졌다.
노현석 교수는 “비행기, 대형 화물차, 군용 차량 등은 일정 이상의 출력을 위해 에너지 밀도가 높은 경유를 사용할 수밖에 없으며 차세대 바이오디젤은 경유를 대체할 가장 현실적인 대안이 될 수 있다”라며 “차세대 바이오디젤의 수율 및 선택성을 증진시키기 위한 연구를 지속적으로 진행할 것”이라고 후속 연구 계획을 밝혔다.
한편 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행됐으며 환경공학(Engineering, Environmental) 분야 1위의 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’ 12월 30일자에 게재됐다.
코발트-몰리브덴 촉매의 탈산소 반응을 통한 차세대 바이오디젤 생산
개발된 코발트-몰리브덴 촉매를 이용해 불활성 기체 및 무용매 조건에서 차세대 바이오디젤을 생산할 수 있으며, 상용화 시 탄소 중립 실현에 효과적인 에너지로 판단된다(사진. 한국연구재단).
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기 및 배경은.
A. 신재생에너지 연료 혼합 의무(RFS) 제도에 따라 수송용 연료에 바이오디젤이 의무적으로 혼합되고 있으며 그 비율이 점차 높아지고 있다. 그러나 현재 상용화된 1세대 바이오디젤은 기존 경유와 물성에 차이가 있어 일정 비율 이상으로 혼합해 사용할 수 없다. 이에 저급 유지를 원료로 기존 경유를 대체할 수 있는 차세대 바이오디젤을 생산하기 위한 연구를 시작하게 됐다.
Q. 연구 전개 과정은.
A. 대부분 차세대 바이오디젤에 대한 생산 연구는 수소첨가탈산소 반응을 이용하며 이 반응에는 고압의 수소가 요구된다. 또한, 수소 이동을 향상시켜 반응성을 증진시키기 위한 목적으로 반응물에 유기용매를 혼합해 반응한다. 그러나 상용화를 고려하면 고압의 수소 조건이나 생성물과 동일 상의 유기용매를 사용하면 경제성이 낮아지는 단점이 있다. 따라서 불활성 기체 및 무용매 조건에서 경제성을 갖추면서도 높은 성능을 나타내는 촉매를 개발하는 것에 초점을 맞췄다.
Q. 연구하면서 어떤 장애 요소가 있었고, 이를 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 이번 연구에서 탈산소 반응 후 생성된 차세대 바이오디젤의 발열량, 점도 등을 분석해 기존 경유와 연료 특성을 비교했다. 그러나 연료 특성을 종합적으로 분석하는 기관이 많지 않고 대부분 대량의 시료를 요구하는 경우가 많았다. 이에 주요한 연료 특성을 선정하고 해당 특성 분석이 가능한 폐기물이나 수질 관련 연구소에 나눠서 시료 분석을 진행했다.
Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 우선, 불활성 기체 및 무용매 조건에서 차세대 바이오디젤을 생산할 수 있는 탈산소 반응용 촉매를 개발했다는 것에 의의가 있다. 또한 기존 연구에서 촉매의 특성과 활성 간의 상관관계 규명에 초점을 맞추고 있었던 것과 달리 생성된 바이오디젤의 연료 특성도 분석해 함께 고려했다는 점에서 차별성이 있다고 할 수 있다.
Q. 어떻게 활용될 수 있으며, 실용화를 위한 과제는.
A. 현재 수소연료전지 자동차나 전기 자동차용 전기 모터는 대형 화물차, 군용 차량, 비행기 등에는 출력 한계로 적용이 어렵다. 차세대 바이오디젤은 전기 모터를 적용하기 어려운 곳에 수송용 연료로 사용할 수 있는 가장 현실적인 대안 중 하나이다. 다만, 상용화를 위해서는 대용량 촉매 제조 기술을 도입한 대규모의 실증 연구가 먼저 선행돼야만 한다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 기존 경유를 완전히 대체할 수 있는 차세대 바이오디젤을 생산하는 상용화 촉매 및 공정을 개발하는 것이다. 이를 위해 생성물의 수율 및 선택도를 증진시키고 촉매와 반응 조건을 최적화하는 후속 연구를 진행할 예정이다.
