홍석봉 교수팀, 제올라이트 촉매상 메타-자일렌
전환반응 메커니즘 규명

주변에서 흔히 볼 수 있는 폴리에스테르 섬유, 페트병, 필름의 원료로 사용되는 파라-자일렌은 메타-자일렌의 이성질화 반응을 통해 얻을 수 있는 석유화학 기초 소재지만, 그 생성 메커니즘이 전적으로 가설에 의존하고 있었다.
POSTECH 연구팀이 이런 ‘가설’을 실제로 규명해내며 학계의 주목을 받고 있다.

POSTECH 화학공학과•환경공학부 홍석봉 교수․박사과정 민형기씨 팀은 가스크로마토그래피-질량분석법과 동위원소 치환법을 이용하여 제올라이트 촉매상에서 메타-자일렌이 파라-자일렌으로 전환되는 반응 메커니즘을 규명하는데 성공했다.
이 메커니즘의 규명은 그간 한 회사가 독점적으로 개발하고 있던 상용촉매제보다 우수한 촉매를 개발하는데 중요한 단초를 제공하는 것으로 학문적․ 산업적으로 그 중요성을 인정받아 미국화학회가 발행하는 촉매분야 전문학술지 <ACS Catalysis> 6월호 표지논문으로 선정됐다.

파라-자일렌 시장은 특히 폴리에스테르 섬유 생산이 증가하고 면화 가격이 상승함에 따라 크게 영향을 받으며 지난 2010년 하반기부터 호황을 맞이, 세계 시장 규모가 60조원에 달한다. 특히 엑슨모빌(ExxonMobil)과 BP 등 다국적 석유화학 기업 뿐만 아니라 SK, GS칼텍스, S-Oil 등의 국내 기업 역시 제올라이트계열 촉매인 ZSM-5를 이용해 파라-자일렌을 생산하고 있다.

파라-자일렌을 생성하는 대표적인 상용 공정은 메타-자일렌이 촉매와 만나 불균일촉매 반응을 일으켜 파라- 또는 오쏘-자일렌으로 전환되는 것으로, 다른 기술들과 달리 그 반응 메커니즘이 ‘가설’로만 정리되어 있을 뿐 실험적으로 증명된 바가 없었다.

POSTECH 연구팀은 메타-자일렌의 이성화 반응에서 반응중간체를 직접 관찰해 ‘생성물질과 반응중간체에 의한 형상선택성(Product and Transition-State Shape Selectivity)’을 실제로 증명하는데 성공했다.
이는 화학반응을 통해 만들어지는 생성물질 또는 반응중간체의 크기 및 모양에 따라 최종 생성물 분포가 달라짐을 의미하는 것으로 지금까지 이를 실험적으로 증명한 연구팀은 없었다.

연구를 주도한 홍석봉 교수는 “그간 가설에 그쳤던 불균일촉매 반응 메커니즘을 규명해냄에 따라 앞으로 ZSM-5보다 우수한 제올라이트계열의 촉매제를 개발해낼 수 있을 것으로 기대하고 있으며 학계 역시 이 분야의 새로운 비전을 제시했다는 평가를 내리고 있다”며 “이 성과와 함께 ZSM-5보다 반응활성과 선택성이 우수한 새로운 촉매도 개발해냈다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 ‘중견연구자 지원사업(도약연구)’의 지원을 받아 수행됐다.