국내 연구진이 폴리우레탄을 만들기 위해 촉매로 이용되는 염산 공정의 단점을 극복할 수 있는 획기적 고체산 촉매를 개발했다.

KAIST는 생명화학공학과 최민기 교수팀이 인하대학교 화학공학과 이용진 교수팀과 공동연구를 통해 폴리우레탄 기초 원료인 메틸렌디아닐린 제조에서 높은 촉매 활성과 선택도 및 안정성을 갖춘 'LTL 제올라이트' 기반 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

제올라이트는 알루미늄 산화물과 규산 산화물의 결합으로 생성된 다공성, 결정성 물질로 흡착제 또는 이온교환제, 합성세제, 촉매 등 다양한 분야에 응용된다. LTL 제올라이트 는 1차원의 육각형 결정구조를 가진 제올라이트이다.

폴리우레탄의 중요한 기초 원료 중 하나인 메틸렌디아닐린은 염산 촉매를 활용해 여러 단계의 화학 반응을 거쳐 합성된다. 이 전통 공정은 부식성이 강한 염산을 사용하는 공정 특성상 내부식성을 갖춘 고가의 특수 반응기의 설계가 요구되고 생성물의 중화공정과 분리공정이 필수적이며 많은 양의 독성 폐수가 배출되는 단점을 갖고 있다.

메틸렌디아닐린의 제조에 고체산 촉매로 널리 연구되는 물질은 마이크로 기공(기공의 직경이 1㎚ 이하)을 갖는 결정성 물질인 제올라이트다. 하지만 제올라이트 촉매는 메틸렌디아닐린 합성반응에서 반응물과 생성물의 분자 크기가 매우 크기 때문에 마이크로 기공 확산 속도 제한으로 낮은 활성이 단점으로 남아 있다.

이번에 연구진은 현재까지 발견된 250개 이상의 제올라이트 구조 중 LTL 제올라이트 구조가 4,4’-메틸렌디아닐린의 합성에 이상적임을 발견한 뒤 4,4’-메틸렌디아닐린을 선택적으로 합성하고 올리고머의 형성을 억제할 수 있는 최적화된 제올라이트 촉매를 설계했다.

연구진은 LTL 제올라이트의 결정 내부에 거대 분자의 확산을 비약적으로 높일 수 있는 추가 기공을 뚫어 일종의 '분자 고속도로'를 만들어 느린 분자 확산 문제를 해결했다.

마이크로 기공과 메조기공을 동시에 포함하는 신규 LTL 제올라이트 촉매는 일반 LTL 제올라이트에 비해 8배 이상 증진된 활성을 보였으며 염산 촉매를 이용한 촉매 공정 대비 10% 이상 증진된 4,4’-메틸렌디아닐린 수율을 보였다.

또 연구진은 신규 개발한 촉매가 장기 연속 반응 공정에서도 우수한 안정성을 보이는 것을 확인했다. 특히 신규 제올라이트 촉매를 사용한 공정은 염산 기반의 공정과 달리 중화 공정이 필요하지 않고 폐수 발생이 전무하다는 장점이 있다.

한화솔루션㈜의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 이수성 석사과정 학생이 제1 저자로 연구에 참여했으며 연구 결과는 화학분야 국제 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 온라인판에 지난 6월 27일자로 게재됐다. 논문명 Hierarchical LTL Zeolite as an Efficient and Sustainable Solid Acid Catalyst for Replacing HCl in the Production of Polyurethane Intermediates

KAIST 최민기 교수는 "메틸렌디아닐린의 친환경 생산 공정 개발에 돌파구를 제시한 국내 고유의 기술적 성과"라며 "한화 솔루션㈜와 긴밀하게 협업해 신규 촉매 기술을 상업화하는 연구를 수행하고 국내 기술로 세계 최초의 메틸렌디아닐린의 친환경 생산 공정을 개발하겠다"고 말했다.