지구온난화의 주범인 이산화탄소를 산소와 같은 산화제로 재활용할 수 있는 방법이 국내 연구팀에 의해 규명돼 이목을 집중 시키고 있다. 인하대학교 물리화학부 화학전공 박상언 교수 연구팀이 이산화탄소의 새로운 산화제 역할을 규명했다고 4월21일 밝혔다. 박 교수는 연구를 통해 지구온난화의 주범으로 일컬어지고 있는 이산화탄소를 질소가 구조화된 나노촉매로 개발해 저압 상태에서도 산화반응을 30% 이상 향상시킬 수 있음을 발견했다. 이는 이산화탄소가 산화반응에 이용될 때 촉진제 역할을 할 수 있음을 최초로 규명한 것이다. 박 교수 연구팀은 이를 ‘CO2 Promoter(이산화탄소 촉진제)’라는 명칭을 붙였다.

이산화탄소의 새로운 산화제 역할 규명

박상언 교수는 “이 연구는 산성을 띠는 이산화탄소와 염기성을 띠는 질소 함유 나노촉매와의 향상된 상호 작용을 활용하여 초임계나 고압이 아닌 저압 상태에서 다수의 화합물에 산화반응을 산소 존재 하에 크게 향상시킬 수 있음을 보고한 것입니다”라고 말했다.
이러한 저온, 저압에서 이산화탄소를 원자형태 산소로 이용하는 획기적 나노촉매 연구 결과는 향후 값싸게 얻어질 과량의 이산화탄소 활용에 큰 희망을 안겨주고 있다. 향후 폴리에스터 원료인 테레프탈산 제조, 스티로폴 원료인 스티렌 제조, 기타 부산물의 고부가 가치화에 적용될 전망이며, 세계 4대 화학기업인 사우디의 SABIC사와 상업화 연구 2단계에도 돌입할 예정이다. 뿐만 아니라 기타 합성 고무 원료 확보 등의 석유 자원 고부가가치화와 자원 절약에도 크게 이바지할 것으로 기대된다.

특히 최근 세계적으로 큰 관심을 갖고 있는 이산화탄소 저장과 관련해서도 이러한 나노소재로 해결될 가능성이 타진되고 있어 귀추가 주목되고 있다.
한편, 박 교수는 2003년에도 세계 최초로 이산화탄소 단독으로 산화반응을 이끌 수 있음을 보고하여 이산화탄소가 산화제로 쓰이며 기존 산화적 탈수소 보다 낮은 온도에서 고활성과 고선택성을 보임을 증명하여 이산화탄소를 ‘Soft Oxidant(소프트 산화제)’로 명명한 바도 있다. 또한 기존 산소에 의한 산화반응에도 적용할 수 있음을 증명한 바 있는데 이를 세계적으로 ‘CO2 Expanded System(이산화탄소 확장제)’이라 명명하여 그간에 고압의 이산화탄소를 활용하는 데에만 가능한 것으로 알려져 왔었다.

이번 연구결과를 다룬 논문 「CO2 as a promoter in the oxidation of Cyclic olefins over Mesoporous Carbon Nitrides(메조세공을 이용한 이산화탄소를 이용한 환형 올레핀의 산화작용)」은 유럽 최대 화학 관련 학회인 ‘영국왕립화학회’의 국제공인학술지(SCI) ‘그린 화학 저널’에 게재됐으며, 뉴스레터 ‘Chemistry World(케미스트리 월드)’에도 4월21일자로 특집 인터뷰 기사가 소개되면서 학계의 큰 관심을 얻고 있다. 또한 박 교수는 오는 8월 덴버에서 열리는 미국화학회(242차 ACS)의 강연에 초청받기도 했다.
박상언 교수는 “우리 연구팀은 국제적 협력 연구와 더불어 국제적 공조 체제를 갖추어 지난 10여 년에 걸쳐 지속적으로 연구해 오고 있습니다. 앞으로도 지속적으로 반응기작과 이산화탄소의 유효 자원화 연구에 박차를 가할 것입니다”라고 포부를 밝혔다. 

국책연구 프로젝트 및 기업 과제 성공적으로 수행

박상언 교수는‘나노 정밀화학 융합 산업기술개발지원센터’(이하 센터) 센터장을 맡아 그동안 우수한 연구성과를 거두며 성공적인 센터 운영을 이끌어 온 장본인이다. 센터는 지난 2004년 12월 산업자원부(현 지식경제부)의 2004년 산업기술기반조성사업인 ‘산학연공동연구기반구축’에 선정되어 나노기술에 기반을 두고 에너지 및 환경(E2T), 정보통신(IT), 생물산업(BT) 등과의 융합연구에 박차를 가하였다. 이러한 융합기술은 새로운 반도체 소재개발에 이용되며 자동차 배기가스 정화와 당뇨병환자에게 인슐린 투여시기를 알려주는 약물전달시스템 등에 이용되었다.

박상언 교수는 “우리 센터에서는 개인이나 기업이 구입하기 어려운 고가의 장비를 도입하여 기업에 기술지원 및 장비활용의 기회를 제공하고 있습니다. 또한 산학연 네트워크를 강화하기 위한 여러 가지 방안들이 마련돼 있을 뿐만 아니라 각 대학의 학생들을 상대로 나노기술에 적합한 맞춤형 교육도 함께 추진하고 있습니다”라고 말했다. 센터에 마련돼 있는 장비활용을 원하는 기업들은 인프라넷(http://www.infranet.or.kr)에서 접속해 신청하면 장비활용이 가능하다.  

또한 박 교수는‘마이크로파 합성 나노구조 촉매에 의한 그린화학’연구과제가 국가지정연구실로 지정되어 2007년부터 각각 100억 상당의 기반구축시설과 5년에 걸쳐 10억원의 연구지원을 받고 있다. 이를 통해 ▲마이크로파 합성 및 새로운 기능성 나노세공 촉매 개발 ▲나노세공크기조절, 새로운 세공 구조체 제조 및 다양한 형상조립체의 Fabrication ▲나노세공체 표면의 직접적 분자 활성기능화와 단일점 불균일 촉매 제조 ▲나노 촉매의 새로운 분석 방법과 촉매 반응 활성 평가법 개발 ▲나노 구조 촉매에 의한 신촉매 화학 구현을 통한 그린 화학 반응 창출 등으로 마이크로파를 이용한 분자활성 기능성 나노구조 촉매의 합성과 이상 반응을 구현하기 위해 최선을 다하고 있다.

나노촉매 및 그린화학 분야의 세계적 선두주자

박 교수는 나노세공물질의 상조절, 나노구조 조절, 경제적 제조 및 기능화 연구에 마이크로파에 의한 방법을 개척적으로 도입하여 합성시간을 획기적으로 단축하고 에너지를 절감하는 등 마이크로파 활용 합성 분야에서 세계적 위치를 확고히 하고 있다. 또한 나노촉매를 사용하여 온실가스, 자동차 배기가스 등의 환경유해물질을 제거하고 유해한 부산물과 공해를 배출하는 화학반응 대신 친환경적이고 에너지 자원을 절약하는 물질을 제조하는 그린화학반응 기술개발에 큰 진전을 이뤘다. 박상언 교수는 이러한 공로를 인정받아 지난 2006년 11월 한국공업화학회가 수여하는 제3회 ‘한국공업화학상’ 수상자로 선정되기도 했다. 박 교수는 수여받은 상금 전액을 학교발전기금으로 기탁하며 수상의 의미를 더했다.

박 교수는 2008년 11월에는 마이크로파를 이용한 나노촉매와 그린화학분야의 개척과 실용화의 업적을 인정받아 한국과학기술한림원 정회원으로 선출되기도 했으며 국내 촉매 연구의 활성화와 더불어 다국적 기업과의 공동연구를 활발히 진행하고 있다. 또한 그는 수소 분리 및 제조기술의 상업화, VOC 제거 촉매의 실용화와 기술이전을 하였으며 국내외 저널에 300여 편의 논문을 게재했고 60개의 국내외 특허를 보유하고 있다.
한편 박 교수는 2005년부터 현재까지 인하펠로우교수로 선정되었다. 뿐만 아니라 그는 화학 관련 SCI 저널 중 영향력지수가 높은 저널 중 하나인‘그린 화학 저널’의 국제 자문위원으로 활동하며 국제적으로도 인지도를 높여가고 있다.