지구 온난화에 가장 크게 기여하고 있는 물질은 이산화탄소입니다. 하지만 그렇다고 해서 이산화탄소가 특별히 온실효과가 강한 것은 아닙니다. 오히려 메탄 같은 다른 주요 온실가스와 비교해 온실효과 자체는 낮은 편입니다. 이산화탄소가 특히 더 문제가 되는 것은 양이 많은데다 매우 안정한 기체이기 때문입니다.
그러나 상대적으로 적은 양과 짧은 반감기를 지닌 메탄의 온실효과 역시 무시할 수 없습니다. 메탄은 이산화탄소보다 온실효과가 수십배 강하고 비중도 이산화탄소 다음으로 전체 인위적 온실효과의 15%를 차지하고 있습니다.
과학자들은 천연가스 채취 과정이나 농축산업에서 나오는 메탄가스를 포집해 유용한 물질로 만드는 연구를 진행해 왔습니다. 이미 많은 성과를 거두긴 했지만, 사실 메탄가스의 가공 역시 이산화탄소처럼 적지 않은 에너지를 소모한다는 것이 큰 문제입니다.
메탄가스를 다른 물질로 바꾸기 위해서는 높은 열과 압력이 필요합니다.
MIT의 마이클 스트라노 교수 (Michael Strano, the Carbon P. Dubbs, Professor of Chemical Engineering at MIT) 연구팀은 메탄가스를 상온상압에서 폴리머로 만드는 연구를 진행했습니다.
이를 위해 연구팀은 2단계 촉매를 사용했습니다. 1단계 촉매는 제올라이트 (Zeolites)입니다 제올라이트는 흔하게 구할 수 있는 미네랄 입자로 이 경우에는 철 변형 알루미늄 실리케이트 iron-modified aluminum silicate 지올라이트를 사용했습니다.
지올라이트의 목적은 메탄을 메탄올로 바꾸는 것입니다. 그리고 메탄올을 포름알데하이드로 바꾸는 2단계 효소로 알코올 산화효소 (alcohol oxidase, AO)를 사용합니다. 알코올을 산화효소는 박테리아나 곰팡이 등 자연계에서 흔히 볼 수 있고 제올라이트처럼 값싸게 공급 가능합니다.
연구팀에 따르면 이 반응은 상온상압에서 일어나기 때문에 대량 생산 시 가격을 크게 절감할 수 있습니다. 또 다른 장점은 부산물 로 과산화수소 (hydrogen peroxide)를 만들어 첫 번째 반응에 투입할 수 있다는 것입니다. 이는 비용 절감에 유리합니다.
포름알데하이드는 여러 물질을 생산하는 원료로 사용할 수 있는데, 연구팀은 소변에서 쉽게 구할 수 있는 요소 (Urea)와 반응시켜 유레아 포름알데히드로 만드는 연구를 진행했습니다. 이 물질은 파티클보드나 옷감 제조에 사용됩니다. 그밖에도 더 복잡한 폴리머를 생산하는데 사용할 수 있습니다
또 자른 흥미로운 응용은 천연가스 파이프에 효소를 흘려 보내 일부를 폴리머로 변형시키고 자연스럽게 작은 균열이나 틈을 막는데 사용하는 것입니다. 현재 인위적 메탄가스 배출의 상당 부분이 이런 균열을 타고 이뤄지기 때문입니다.
과연 이론처럼 훌륭한 결과물이 나올지 궁금합니다.
참고
https://phys.org/news/2024-12-catalyst-methane-polymers.html
Concerted methane fixation at ambient temperature and pressure mediated by an alcohol oxidase and Fe-ZSM-5 catalytic couple, Nature Catalysis (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01251-z
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