※ 이 글은 『촉매공정』(서울대학교출판부, 2002)과 J. Hagen, 『Industrial Catalysis: A Practical Approach』(Wiley-VCH)를 참고해 정리했다.
이번 글에서는 촉매를 물질 종류와 작용 방식에 따라 분류하고, homogeneous catalyst와 heterogeneous catalyst를 비교한다.
1. 물질에 따른 촉매의 분류
| 촉매의 종류 | 대표적인 예 |
|---|---|
| 귀금속 촉매 (noble metal) | Pt, Pd, Ir, Rh |
| 금속 촉매 (metal) | Fe, Ni, Co |
| 금속산화물 촉매 (metal oxide) | MgO, TiO2, V2O5, ZnO |
| 복합산화물 촉매 (mixed oxide) | Fe2O3–MoO3, Mo–V–P–O |
| 고체산 촉매 (solid acid) | zeolite, heteropoly acid |
| 무기산 촉매 (mineral acid) | HF, H2SO4, H3PO4 |
| 이온교환수지 촉매 (ion-exchange resin) | Amberlyst-15 |
- 귀금속 촉매: 활성이 뛰어나지만 매우 비싸다.
- Solid acid catalyst: 고체이면서 acidity를 가진 촉매다. 대표적으로 zeolite가 있으며, 특히 골격의 aluminum 자리에서 acid site가 생긴다.
- Mineral acid catalyst: H+를 내놓는 무기산이다.
- Ion-exchange resin: polymer이면서 촉매 역할을 한다. Polymer가 물에서 swelling되면 표면의 –SO3H기가 드러나고, 이 H+가 Na+ 등과 ion exchange하거나 acid catalyst로 작용한다. 경수 연화 등에도 쓰인다. 다만 polymer이므로 높은 온도에서는 쓸 수 없다.
2. 작용 방식에 따른 분류 (types of catalysis)
- Biocatalysis: 촉매가 enzyme인 경우다. 효율이 매우 높아 반응이 빠르고 selectivity도 좋다. 하지만 온도와 pH에 매우 민감해 온도를 많이 올릴 수 없다는 단점이 있다.
- Homogeneous catalysis: 반응물과 촉매가 같은 phase에 있다. Solution chemistry의 관점에서 surface chemistry를 이해하는 데에도 도움이 된다.
- Heterogeneous catalysis: 반응물과 촉매가 서로 다른 phase에 있으며, 주로 고체나 다공성 물질에 금속을 담지한 촉매를 쓴다.
- 촉매와 생성물을 분리하기 쉽고, 촉매 수명이 길다.
- 산업 촉매 공정의 약 80%가 heterogeneous catalyst를 사용한다.
- Solid acid는 acid site를 조절할 수 있고, 액체 산보다 부식성과 폐기(disposal) 문제가 적다.
- 환경 촉매와 에너지 전환 촉매에 많이 쓰인다.
3. Homogeneous vs heterogeneous catalyst
| Homogeneous | Heterogeneous | |
|---|---|---|
| Active centers | all metal atoms | only surface atoms |
| Concentration | low | high |
| Selectivity | high | lower |
| Diffusion problems | practically absent | present |
| Reaction conditions | mild (50–200 ℃) | severe (often > 250 ℃) |
| Applicability | limited | wide |
| Activity loss | irreversible reaction with products, poisoning | sintering of metal crystallites, poisoning |
| Structure / stoichiometry | defined | undefined |
| Modification possibilities | high | low |
| Thermal stability | low | high |
| Catalyst separation | sometimes laborious | fixed bed: unnecessary suspension: filtration |
| Catalyst recycling | possible | unnecessary (fixed bed) or easy (suspension) |
| Cost of catalyst losses | high | low |
참고: J. Hagen, 『Industrial Catalysis』 (재구성)
표를 하나씩 읽어 보자.
- Active centers: homogeneous catalyst는 반응물이 액상이면 촉매도 액상에 고르게 녹아 있으므로, 모든 금속 원자가 active center가 될 수 있다. Heterogeneous catalyst는 표면에 노출된 원자만 active center가 된다.
- Concentration: homogeneous catalyst는 모든 원자가 활성이므로 적은 양으로도 충분하다. Heterogeneous catalyst는 표면 원자만 쓰이므로 촉매가 많이 필요하다.
- Selectivity: homogeneous catalyst는 활성점 구조가 잘 정의되어 있어 selectivity가 매우 높고, 한 방향으로 반응이 잘 진행된다.
여기까지 보면 homogeneous catalyst가 더 좋아 보인다. 하지만 applicability를 보면, homogeneous catalyst는 매우 제한적이고 heterogeneous catalyst는 넓은 범위에 쓸 수 있다. 촉매 분리 문제와 경제성 때문이다.
또 homogeneous catalyst는 구조와 stoichiometry가 잘 정의되어 있고 mechanism도 설명할 수 있어, 구조를 바꾸며 개량하기 쉽다. 반면 heterogeneous catalyst는 구조를 정확히 알기 어려워 개량이 쉽지 않고, 그래서 여러 promoter를 넣어 성능을 높이는 방식을 쓴다. 최근에는 surface chemistry와 분석 기술이 발전하면서 heterogeneous catalyst의 활성점도 점점 더 정확하게 정의되고 있다.
정리
- 촉매는 물질에 따라 noble metal, metal, metal oxide, mixed oxide, solid acid, mineral acid, ion-exchange resin 등으로 나뉜다.
- 작용 방식에 따라 biocatalysis, homogeneous, heterogeneous catalysis로 나뉜다.
- Homogeneous catalyst는 activity·selectivity가 높고 개량이 쉽지만, 분리가 어렵고 열 안정성이 낮다.
- Heterogeneous catalyst는 분리가 쉽고 열 안정성이 높아 산업 공정의 약 80%에 쓰인다.