고려대, 물과 전기로만 에폭사이드를 생산하는 새로운 방법 제시

… 친환경 전기화학 공정 혁신 이뤄 

△ 물과 전기를 이용한 올레핀 전환 시스템 모식도

고려대학교(총장 김동원) 화학과 진경석 교수 연구팀과 네덜란드 Radboud University Jana Roithová교수, 이화여자대학교 남원우 교수, 한국기초과학지원연구원 김선희 박사 공동 연구진이 화학산업의 핵심 화합물인 에폭사이드를 생산할 수 있는 새로운 전기화학 방법을 개발했다. 

연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Journal of the American Chemical Society’(Impact Factor: 14.5)에 지난 1월 29일 (수) 온라인 게재됐다.

*논문명 : Electrochemically Driven Selective Olefin Epoxidation by Cobalt–TAML Catalyst

*DOI : https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c16243

에폭사이드(Epoxide)는 화학산업에서 반응성이 뛰어난 중간체로 활용되며, 에폭시 수지, 접착제, 코팅제 등의 생산에 필수적인 원료 중 하나다. 또한 다양한 화학 반응을 통해 의약품, 농약, 계면활성제 제작 등 고부가가치 화합물로 변환될 수 있어 산업적으로 중요한 소재다.

가장 대표적인 에폭사이드는 산화에틸렌(Ethylene oxide)이다. 산화에틸렌은 주로 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 계면활성제, 플라스틱, 섬유, 접착제, 에폭시 수지 합성에 쓰이며, 살균제와 의료기기 소독제로도 사용된다. 특히 에틸렌글리콜 생산에도 사용되는데, 에틸렌글리콜은 자동차 부동액과 폴리에스터 섬유 제조에 필수적이다. 

현재 에폭사이드의 생산은 주로 열화학 공정 기반의 올레핀 산화 반응을 통해 이루어진다. 산화에틸렌은 주로 에틸렌을 고온·고압의 환경에서 산소 또는 공기와 반응시키는 직접 산화법으로 생산되며, 이 과정에서 은(Ag) 촉매가 사용된다. 다만, 이 공정은 높은 에너지 소비와 부식성 부산물 생성, 그리고 온실가스인 이산화탄소 배출 등의 환경 문제 발생해 지속 가능한 대체 공정이 필요하다.

진경석 교수 공동 연구팀은 이러한 한계점을 극복하고자 코발트 기반의 무기 촉매를 이용해 전기화학적으로 올레핀을 전환하여, 에폭사이드를 생산하는 새로운 방법론을 제시했다. 

공동 연구팀은 폭발성이 있는 산소 대신에 물을 산화 반응의 원천으로 사용해 친환경적이면서 안전한 전환 공정을 개발했다. 이 공정은 20개의 다양한 올레핀 화합물에 적용이 가능하고, 높은 선택성과 전환효율을 가진다.  또한 연구팀은 실시간 분광학 분석을 진행해 올레핀에서 에폭사이드로 전환되는 전기화학 반응 메커니즘을 밝혔다. 

이 연구 결과는 친환경적 전기화학 공정을 통해 온실가스의 배출 없이 화학산업의 중요 화합물을 생산하는 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진 연구자 지원사업 및 한국전력공사의 지원을 받아 진행됐다. 

[그림1] 

[그림1] 설명: (왼쪽부터) 고려대 진경석 교수(교신저자) 고려대 김수연 석사 (제1저자)

[그림2] 

[그림 2] 설명: 본 연구를 통해 제안한 전기화학적 에폭사이드 합성 공정도