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재생 가능한 새로운 그린촉매
 일본 독립행정법인 산업기술종합연구소 나노튜브응용연구센터의 유기나노튜브연구팀, 도쿄이과대학 이학부 제1부 화학과, 인도 Panchakot Mahavidyalaya대학은 공동으로 산업기술종합연구소가 개발한 대량제조법을 이용하여 얻어진 니켈담체 타입 유기나노튜브(Ni-ONT)가 공업적으로 중요한 각종 유기화합물의 산화반응을 실온의 수중에서 진행시키는 촉매가 된다는 것을 밝혀내었다.
이 Ni-ONT는 글리신글라이신(Glycylglycine)과 지방산을 결합시킨 값이 싼 양친매성 분자와 니켈염을 용매 중에서 혼합시키는 간단한 조작으로 합성할 수 있으며, 모든 니켈이온이 나노튜브 내외의 표면에 노출하고 있기 때문에 산화반응의 촉매장으로서 아주 우수하다고 생각된다. 또한, Ni-ONT는 수중에서는 고체이기 때문에 촉매반응 후 여과에 의해 간단하게 회수 가능하며 재이용도 가능하기 때문에 그린이노베이션에 공헌할 것으로 기대된다.
Ni-ONT는 글리신글라이신과 지방산을 결합시킨 양친매성 분자를 알코올 중에 현탁시켜 니켈염의 수용액을 가함으로써 3시간 이내에 얻어진다. 글리신글라이신 및 지방산은 모든 재생가능한 자원에서 간단하게 얻을 수 있는 저환경부하 재료이다. 또한, 니켈은 지구상에서 5번째로 많은 원소로 촉매로 많이 이용되고 있는 귀금속과 비교하여 값이 싸고 쉽게 구할 수 있다. 따라서, Ni-ONT의 제조비용은 낮게 유지될 것으로 생각된다. 또한, 니켈이온은 유기산화반응에서 촉매작용을 나타내어 단층 이분자막인 나노튜브 표면에 니켈이온이 고정된 구조를 가진 Ni-ONT는 비표면적인 큰 불균일계 촉매로서 기능이 기대된다.
위와 같은 배경에서 Ni-ONT를 산화반응의 촉매로서 이용하는 것을 검토한 결과, Ni-ONT를 과산화수소에 분산시키고 유기화합물을 가해 실온에서 혼합시키는 아주 간단한 조작으로 산화반응이 진행하는 것을 밝혀내었다. Ni-ONT는 광범위한 유기화합물의 산화반응에 적용가능하다. 또한, 과산화수소는 환경부하가 적은 산화제이다.
종래의 공업프로세스의 많은 산화반응에서는 (1) 가열조작이 필요, (2) 유기용매의 첨가가 필요, (3) 산화제로서 폭발성을 가진 유기과산 및 유해한 중금속, 강산을 이용, (4) 반응중에 위험한 과산화물의 생성, (5) 할로겐 화합물을 원료로 사용하여 할로겐 함유 폐기물의 발생 등의 문제점이 있었다.
한편, 이번에 개발한 Ni-ONT 촉매에 의한 산화반응은 이러한 문제점을 한가지도 포함하고 있지 않은 프로세스이다. 이 산화반응은 Ni-ONT 촉매를 산화제인 과산화수소 중에 분산시켜 원료물질을 첨가하여 실온에서 혼합하여 진행시킨다. 따라서, (1) 가열조작이 불필요하기 때문에 에너지 비용을 저감할 수 있다. (2) 유기용매를 사용하지 않기 때문에 반응 후의 폐액처리가 용이하다, (3) 산화제로서 유기과산 및 중금속, 강산이 아니라, 과산화수소를 이용한다. (4) 위험한 과산화물이 발생하지 않아 안전하다. (5) 할로겐 함유 폐기물을 배출하기 않기 때문에 폐기물처리 비용을 경감시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 반응종료 후, 여과에 의해 Ni-ONT 촉매와 반응용액을 분리할 수 있기 때문에 반응생성물의 정제가 용이하며, 동시에 Ni-ONT 촉매를 회수할 수 있다. 그리고, 세정에 의해 회수된 촉매의 재생이 가능하며 적어도 5번 재이용해도 촉매활성이 저하되지 않는다.
Ni-ONT 촉매에 의한 산화반응으로 얻어진 화합물 중에서 TMQ는 비타민 E의 합성 중간체, 벤조페논(Benzophenone)은 자외선 흡수제(광중합 개시제), 테트라톤(Tetralone)은 농약 중간체, 에폭시화물은 광경화성 수지 등에 널리 이용되고 있어 이러한 합성반응은 공업적으로 중요한 프로세스이다.
그림 1. 나노튜브 표면에 노출된 니켈이온 위에서 산화반응이 효율적으로 진행
그림 2. Ni-ONT의 모식도와 전자현미경 관찰 사진
그림 3. Ni-ONT 촉매에 의한 산화반응의 원료물질과 반응생성물의 예
※출처: 녹색기술정보포털(www.gtnet.go.kr)
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