촉매 작용이 가진 강력한 힘 이해하기

촉매제와 촉매 작용의 변혁적인 역할

빵을 굽는 일부터 종이를 만드는 일까지, 사람들은 수천 년이라는 세월 동안 알게 모르게 촉매 작용의 힘을 활용해 왔습니다. 실제로 우리가 일상생활에서 사용하는 거의 모든 것들이 촉매 작용을 통해 만들어집니다. 촉매제는 특정 반응을 불러일으키는 데 필요한 활성화 에너지를 낮춰 화학적 반응을 촉진하는 물질입니다. 촉매제는 촉매 작용 중 소모되거나 영구적으로 성질이 변하지 않으면서 반응 속도를 높여 줍니다. 이 고유한 속성 때문에 촉매제는 연료와 살충제부터 생명을 살리는 의약품에 이르기까지 실생활에 없어서는 안 될 여러 제품과 관련해 필수적인 요소로 자리잡았습니다.

예를 들어, 가장 유명한 촉매 기반 반응 중 하나인 "하버-보슈법"은 산업용 비료와 대규모 농업을 위한 암모니아를 생성합니다. 이 경우 촉매제를 사용하여 필요한 비용을 크게 줄이고 암모니아를 더 빠르게 생성할 수 있습니다. 하버-보슈법은 지금도 암모니아를 생성할 때 주로 활용하는 방법입니다.

또 다른 예시로는 차량의 촉매 변환기가 있는데, 탄화수소나 일산화탄소, 질소 산화물 같은 중독성 화합물의 배출을 90% 줄이기 위해 백금, 팔라듐 또는 로듐을 사용합니다.

지속 가능한 화학 분야에서 촉매의 역할

지속 가능성이라는 개념이 최근에 주목을 받고 있는 것 같지만, 사실 지속 가능한 환경 정책은 1987년 UN이 '우리 공동의 미래(Our Common Future)'라는 보고서를 발표한 이후로 논의가 이어져 왔습니다. 이 획기적인 보고서에서는 오늘날 일반적으로 생각하는 지속 가능한 개발을 위한 주요 원칙을 제시했는데, 지속 가능한 개발을 "미래 세대가 자신들의 요구를 충족할 수 있는 역량을 보존하면서 현재의 요구를 충족하는 개발"이라고 정의하였습니다. 이러한 정의는 모든 생산품에 지속 가능성을 적용하는 것이 얼마나 중요한지 보여 줍니다.

지속 가능성에 대한 중요성이 점점 더 강조되면서 제품과 공정의 설계 방식에 변혁을 일으키는 지속 가능한 화학 또는 '친환경' 화학을 위한 움직임도 활발해지고 있습니다. 이 혁신적인 접근법의 목표는 화학적 생산 과정에서 천연 자원의 활용도를 높이는 것입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 세 가지 핵심 요건을 충족해야 하는데, 바로 소비 에너지 최소화, 친환경적 화학물질 수용, 효율적인 재료 수명 주기 관리입니다. 지속 가능한 화학은 이러한 방식을 통해 친환경성과 자원 효율성이 더 뛰어난 미래로 향하는 길을 열어 줍니다.

지속 가능한 정책을 준수하는 데 있어 촉매제는 아주 중요한 역할을 하며, 목표 달성을 위한 귀중한 도구를 제공합니다. 촉매제는 생분해성 플라스틱 개발에 기여하여 유해 물질에 대한 의존성을 줄여 주었습니다. 또한 연료와 비료를 만드는 데에는 촉매제가 굉장히 중요하며, 효율성을 최적화하고 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 촉매 작용의 힘을 활용하면 지속 가능성을 주요 원칙으로 삼아 다양한 분야에서 놀라운 업적을 달성할 수 있습니다.

촉매제에 대한 수요가 급증하면서, 지속 가능한 에너지 생산 관련 문제를 해결하고 산업적 배출물을 줄이고 기후 변화에 대응할 목적으로 친환경적인 제품을 찾는 사람들이 많아졌습니다. 이제 CAS Content Collection™의 데이터를 활용하여 지속 가능한 촉매제 연구의 최신 동향과 해당 분야의 주요 발전 사항에 대해 알아보겠습니다.

촉매제의 지속 가능성 높이기

백금, 팔라듐, 이리듐 등의 귀금속은 높은 안정성과 온도 내성 같은 우수한 촉매적 속성 때문에 널리 사용되고 있습니다. 또한 소노가시라 결합, 스즈키-미야무라 결합, 헥 반응 같은 다양한 화학 반응을 촉진하기 위해 사용하기도 합니다.

그러나 이처럼 유용한 귀금속은 높은 비용과 희소성이라는 단점을 가지고 있습니다. 이 귀중한 금속들은 주로 많은 양의 저급 광석에서 얻어낼 수 있는데, 아주 적은 양을 추출하기 위해 대대적인 채광 작업을 진행해야 합니다. 이러한 추출 과정은 많은 에너지를 소모할 뿐 아니라 환경에 안 좋은 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 따라서 촉매 부문에서 귀금속을 활용할 때에는 해당 작업이 환경에 미치는 영향과 지속 가능성을 염두에 두고 신중하게 결정을 내려야 합니다.

귀금속의 경제적, 환경적 비용으로 인한 제약과 전 세계적인 촉매제 수요의 증가에 따라 연구원들은 대체제 찾기에 박차를 가하고 있는데, 그중에서도 티타늄, 철, 코발트, 니켈 등의 비귀금속 전이 금속이 주목을 받고 있습니다. 이러한 금속은 귀금속과 비교했을 때 여러 가지 이점이 있습니다. 첫째, 양이 풍부해 촉매 부문에 안정적인 공급이 가능합니다. 또한 비귀금속 전이 금속은 비용 효율성이 더 뛰어나 경제적으로 우수한 대체제입니다. 그뿐만 아니라 독성 수준도 낮기 때문에 생산, 사용 시 잠재적인 위험이 줄어듭니다. 더 중요한 것은 이러한 금속이 환경적으로 무해해, 생태계에 미치는 안 좋은 영향을 최소화할 수 있다는 점입니다.

이러한 비귀금속이 매력적인 대체제인 것은 맞지만, 고유한 과제 또한 존재한다는 사실을 염두에 두어야 합니다. 비귀금속은 보통 귀금속보다 반응성이 더 높은 경우가 많은데, 높은 반응성이 촉매제의 품질 저하(내구성 감소)와 촉매 활동의 선별성 감소(부산물로 인한 폐기물 증가와 공정 효율성 감소)를 초래할 수 있습니다. 또한 비귀금속은 특성화가 복잡하고 까다롭습니다(표 1).

그럼에도 불구하고, 비귀금속을 활용한 지속 가능한 촉매제 개발이 많은 관심을 받고 있습니다. CAS Content Collection이 제공하는 통찰력을 살펴보면, 2012년 ~ 2022년에 비귀금속 촉매제/촉매 작용에 대한 간행물이 크게 증가했습니다(그림 1).

촉매 작용의 기술과 발전

지난 몇십 년 동안 실생활에 필수적인 제품을 위한 다양한 특수 촉매제가 개발되었습니다. 이러한 촉매제는 크게 전기촉매, 광촉매, 균일촉매, 생체촉매(또는 효소)와 같이 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

CAS Content Collection의 데이터를 살펴보면, 비귀금속 촉매제를 사용하는 지속 가능한 화학 부문에서 전기촉매 관련 간행물이 가장 많은 비중을 차지했습니다(그림 2 및 그림 3). 전기촉매는 전극 역할 또는 전극 표면에 도포되는 촉매 물질 역할을 하여 전기화학 반응에 기여합니다. 전통적으로는 전기촉매 작용에 백금이 널리 활용되었습니다. 하지만 희소성이 높고 많은 비용이 들어 연구원들이 대체제를 찾기 시작했습니다. 그중 주목할 만한 예시 중 하나는 코발트 원자로 강화한 질소 도입 그래핀을 사용한 사례로, 물에서 수소를 추출하는 것과 관련해 촉매제로서의 효율성과 내구성을 입증받았습니다. 이러한 접근법은 에너지 생성을 위한 저비용 촉매제 확보에 한층 더 가까워졌다는 것을 의미합니다.

광촉매의 경우 반도체 재료가 빛 에너지를 흡수하여 감소 및 산화 반응을 유도하는 EHP(Electron-Hole Pair)를 생성합니다. 물 분해 같은 반응과 관련된 에너지 및 환경 문제를 해결하기 위해서는 수소 생성과 오염 물질의 분해를 각각 진행하는 것이 중요합니다(그림 4). 그러나, 연구계에서는 태양광 에너지만을 사용해 물을 분해할 수 있는 비귀금속 반도체 재료를 찾아야 한다는 큰 과제를 안고 있습니다. 현재 이 영역에서는 공촉매 또는 복합 요소 나노통합을 비롯해 여러 전략을 모색하고 있습니다.

백금과 팔라듐 같은 귀금속은 높은 활동성과 안정성, 다목적성 때문에 균일촉매 작용에서도 널리 사용되고 있습니다. 그러나 균일촉매 부문에서 귀금속을 대체할 재료를 찾으려면 연구원들이 현재 진행 중인 복잡한 과제를 해결해야 합니다. 이러한 촉매제로 촉진할 수 있는 주된 반응 중 하나가 바로 스즈키 결합입니다. 팔라듐이 필요 없는 스즈키 결합을 입증했다고 주장한 보고서들이 추후 소량의 팔라듐 오염 물질을 촉매로 사용한 것으로 밝혀진 유명한 사례가 있습니다. 그러나 이 영역에서 요오드, 에오신, 테트라부틸암모늄 요오드화물 같은 라디칼 반응 개시제의 사용은 긍정적인 결과를 불러올 가능성이 있습니다(그림 5).

효소 기반 촉매제인 생체촉매는 지속 가능한 친환경 촉매제의 모범 사례에 해당합니다. 즉시 이용 가능한 재생 공급 원료로 만든 생체촉매는 유기적이며 생분해가 가능하고 독성이 없을 뿐만 아니라 약한 반응 조건에서도 작용합니다. 생체촉매의 잠재적인 주요 응용 분야는 바로 지속 가능한 바이오 연료 생성인데, 메탄올과 지방산의 에스터교환을 통해 식물성 유지와 지방을 활용합니다. 이러한 반응은 바이오디젤(지방산 메틸에스터)과 글리세롤이라는 부산물을 만들어 냅니다(그림 6). 또한 생체촉매와 금속 촉매제의 조합도 귀중한 분자 생성의 지속 가능성을 확보하기 위한 접근법으로 떠오르고 있습니다.

변화를 위한 촉매

UN Climate Change Conference(COP27)와 UN Biodiversity Conference(COP15)가 개최된 이후로, 보다 지속 가능한 정책을 수용하겠다는 기업들이 눈에 띄게 증가하고 있습니다. 촉매제는 여전히 화학 업계에 없어서는 안 될 요소이기 때문에, 필수적인 제품 생산 작업의 효율성과 지속 가능성을 높일 수 있는 새로운 촉매 개념을 모색하기 위한 연구가 탄력을 받고 있습니다. 이러한 요구에 따라 미국 에너지국은 근본적인 촉매 연구를 전적으로 지원하겠다고 약속했습니다.

지난 10년 동안 지속 가능한 촉매 연구 분야에서 이루어진 중대한 발전들로 미루어 보았을 때, 친환경적 솔루션을 위한 여정은 순조롭게 진행되고 있습니다. 아직 이 시장의 잠재력이 완전히 실현된 것은 아니지만, 앞으로 유기물, 무기물, 친환경 기반 물질을 아우르는 다양한 분야에서 비귀금속, 금속 기반 촉매제의 미래는 밝을 것이라고 예상합니다.

지속 가능한 촉매 작용의 미래에 대해 보다 많은 통찰력을 얻고 싶다면 최근 발표한 ChemRxV 간행물을 확인해 보십시오.