메탄을 에너지자원으로 전환하는 '자연계 효소 모방 촉매' 개발
메탄을 에너지자원으로 전환하는 '자연계 효소 모방 촉매' 개발
금속유기구조체를 이용한 메탄전환효소 활성화 부위 모방 촉매 구현
  • 이시우
  • admin@hkn24.com
  • 승인 2022.10.23 15:24
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연구 주역들.(왼쪽부터) 교신저자 이상엽 교수, 교신저자 한병찬 교수, 제1저자 이혜성, 제1저자 권초아.
연구 주역들.

(왼쪽부터) 교신저자 이상엽 교수(연세대 화학생명공학과), 교신저자 한병찬 교수(연세대 화학생명공학과), 제1저자 이혜성(연세대 화공생명공학과 석박사 통합과정), 제1저자 권초아(연세대 화공생명공학과 박사 및 한양대 원자력공학과 박사후 과정).

[헬스코리아뉴스 / 이시우] 연세대학교 화공생명공학과 이상엽 교수 연구팀이 메탄을 메탄올로 직접 전환할 수 있는 자연 효소의 활성화 부위를 모방한 금속유기물구조체(MOF, Metal-Organic Framework) 원리를 이용해 단원자 활성 촉매를 개발했다.

MOF는 다공성 고체로 기공 안에 기체를 가두거나 특정 기체만 잡아낼 수 있어 기체 저장장치, 센서, 촉매 재료로 주목받는 차세대 소재다. 단위구조를 이루는 금속과 유기물의 조합이 바뀌면 단위구조의 모양이 바뀌거나 화학적 성질이 달라져 새로운 종류의 금속유기물구조체가 된다.

메탄은 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주성분으로 알려져 있지만, 천연가스의 주성분이기도 해 이를 미래의 연료로 활용하려는 노력이 활발하다.

그러나 메탄을 에너지 자원인 메탄올로 변화시키는 촉매작용을 일으키려면 매우 높은 온도와 압력으로 진행되는 공정이 수반되어야 하기 때문에 많은 에너지와 비용이 필요하다는 한계가 있었다.

 

연구진 개발한 MMO 효소의 활성 부위를 모방한 촉매를 이용하여 메탄 분자를 메탄올 등의 부가가치가 높은 화학 물질로 전환하는 기술을 묘사한 그림.살구색 사각형 판은 연구진에서 개발한 MMO 효소 모방 촉매를 나타냈으며, 오른쪽 위 구조는 구리 이온에 4개의 이미다졸이 결합한 촉매의 활성 부위를 나타냄. 메탄 분자가 촉매가 포함된 반응기(주전자)를 거쳐서 메탄올로 전환되어 나오는 것을 표현함.
연구진 개발한 MMO 효소의 활성 부위를 모방한 촉매를 이용하여 메탄 분자를 메탄올 등의 부가가치가 높은 화학 물질로 전환하는 기술을 묘사한 그림.

살구색 사각형 판은 연구진에서 개발한 MMO 효소 모방 촉매를 나타냈으며, 오른쪽 위 구조는 구리 이온에 4개의 이미다졸이 결합한 촉매의 활성 부위를 나타냄. 메탄 분자가 촉매가 포함된 반응기(주전자)를 거쳐서 메탄올로 전환되어 나오는 것을 표현함.

연구팀은 자연계에서 메탄을 메탄올로 전환시키는 pMMO(particulate Methane MonoOxygenase) 효소의 생물학적 구조를 모방한 촉매 시스템을 개발하면 보다 경제적인 메탄 전환 공정을 개발할 수 있을 것이라는 점에 착안, 효소의 활성화 부위를 모방한 금속유기구조체를 활용해 메탄 전환 효소 모방 촉매를 개발했다.

pMMO 효소의 활성화 부위는 히스티딘 아미노산에 구리 이온이 배위된 구조로 이뤄져 있는데, 이 부위에서 메탄올로의 전환 반응이 일어나게 된다.

연구팀은 이 활성화 부위를 모방해 이미다졸 작용기와 금속 이온으로 구성된 제올라이트 형태의 금속유기물구조체를 형성, 이 구조체에 구리 이온을 담지하여 메탄 전환 효소를 모방한 촉매를 제작했다.

X-ray 분석을 통해 효소의 활성화 부위와 유사한 구조를 가진 단일 구리 원자 활성화 부위가 형성됐음을 확인한 연구팀은 이 부위에서 발현되는 메탄의 전환 반응에 대한 메커니즘을 제시할 수 있었다.

개발된 촉매는 기존의 금속유기구조체 기반의 메탄 전환 촉매들과 비교해 향상된 메탄 전환 특성을 나타냈으며, 특히 기존 대비 손쉽게 제작할 수 있다는 특징을 나타냈다.

연구팀은 이번 연구 성과에 대해 “부생가스 활용 및 탄소자원화 전략과 연계하여 활용될 수 있을 것으로 기대된다”며, “지속적인 연구를 통해 셰일 가스의 상업화 가능 기술개발 및 기술이전 등으로 연계하여 화학 산업의 발전뿐만 아니라 국내 온실가스 저감에도 기여할 수 있을 것으로 예상하고 있다”고 밝혔다.

셰일 가스는 흙이 수평으로 퇴적하여 굳어진 암석층(혈암, shale)에 함유된 천연 가스다. 현재까지 확인 매장량은 약 187조 4000억 m3로, 전세계가 59년 동안 사용가능한 양이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스리파이너리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 8월 3일 게재되었다.


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