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이산화탄소·메탄 반응시켜 수소 생산하는 새로운 촉매 개발
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이산화탄소·메탄 반응시켜 수소 생산하는 새로운 촉매 개발
  • 심성필 기자
  • 승인 2021.06.11 12:23
  • 댓글 0
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UNIST 김건태 교수팀, 온실가스 분해해 친환경 연료 생산
성능과 안정성 뛰어난 메탄 건식 개질 반응용 촉매 개발
수소와 공업 원료인 일산화탄소 생산하는 기술

국내 연구팀이 온실가스로 친환경 연료인 수소를 만드는 새로운 촉매를 개발해 주목된다. 

(왼쪽부터) 주상욱 연구원,오진경 연구원, 김건태 교수 /연구진사진=UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 김건태 교수 연구팀은 메탄과 이산화탄소를 화학 반응시켜 수소와 공업 원료인 일산화탄소를 생산하는 기술인 '메탄 건식 개질 반응'에 사용되는 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

해당 연구는 포항공대 화학공학과 한정우 교수도 함께 참여했으며, 연구 결과는 화학분야 권위지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 논문명 'Enhancing Thermocatalytic Activities via Up-shift of the d-Band Center of Exsolved Co-Ni-Fe Ternary Alloy Nanoparticles for Dry Reforming of Methane'으로 5월 7일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.

삼상 촉매의 전자현미경(SEM) 사진 및 반응성 비교 . (좌측) 용출된 니켈과 코발트가 표면의 철과 함께 3상 합금 나노 입자를 형성함. (우측) 기존 니켈과 코발트 합금에 철이 첨가 되면서 전자 구조(d-밴드)가 변화해 변환성능이 좋아짐. 붉은색이 개발된 촉매의 성능을 나타남. /연구 그림=UNIST 제공

연구팀이 개발한 촉매는 세 가지(삼상)  합금 나노입자가 촉매 표면에 돋아난 형태로 합금 나노입자에 금속 원소 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등 3개가 섞여 있어 기존 촉매보다 메탄 분해 반응에 유리하다. 삼상 합금이 발견된 것은 최초라고 한다.

연구팀에 따르면 합금 나노입자가 메탄의 화학결합을 더 느슨하게 만들어 분해를 촉진하는데 이는 철이 첨가되면서 나타난 합금 나노입자의 전자 구조 변화 때문이다. 개발된 촉매 1g을 사용하면 900℃에서 초당 약 1.2x(10의 19승)개의 메탄 분자를 변환할 수 있다고 한다. 이는 단상 촉매에 비해 약 84.8% 증가한 수치이며 750℃에서 약 350 시간이 넘는 시간 동안 안정적으로 작동했다.

건식 메탈 개질 반응에는 일반적으로 니켈 금속 기반 촉매를 사용하는데 성능이 좋은 장점이 있지만 고온에서 촉매 입자끼리 뭉치거나 반응을 반복할수록 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이는 문제가 있었다. 

개발된 삼상 촉매의 특성. (a) CO2 반응성 및 (b) CH4 반응성. 이산화탄소 반은성은 최대 108%이상, 메탄의 반응성은 최대 84% 이상 개선됐다 (c) 시간에 따른 반응성 변화 (촉매 안정성 실험), 350시간 이상 성능이 유지되는 것을 볼 수 있다. /연구그림=UNIST 제공

김 교수 연구팀이 개발한 촉매는 '스마트 자가재생(용출) 촉매의 한 종류로 촉매 입자 내부의 금속 원소가 반응을 반복하면 표면으로 속아오르는 용출 현상을 이용하는 촉매다. 표면이 새로운 금속 나노 입자로 재생되면서 촉매 성능을 오래 유지 할 수 있고 니켈이나 코발트 금속을 용출 시키면 이 두 금속 원소가 나노입자 합금을 만들어 성능이 뛰어나다고 한다.

촉매 입자 표면에 철을 얇게 입혀 니켈과 코발트 금속을 표면으로 더 잘 올라오게 만들었고, 용출된 니켈과 코발트 입자가 철과 섞여 새로운 삼상 합금이 형성되 성능이 더 좋아졌다는게 연구팀의 설명이다. 

또 연구팀은 외부의 원소를 도입해 원소 간 자리 교체를 통해 용출 현상을 극대화하는 방법인 '토포택틱 엑솔루션(Topotactic exsolution)'을 이용해 삼상 촉매를 만들 수 있었고, 단위 면적 당 약 200개가 넘는 합금 나노 촉매 입자를 만들어 건식 개질 촉매 반응성을 높일 수 있었다고 말했다.

김건태 교수는 “메탄 건식 개질 반응을 통해 안정적으로 합성가스와 수소를 생산하려면 촉매의 활성과 안정성이 뒷받침돼야 한다”며 “두 가지 조건을 동시에 만족하는 촉매 물질을 개발한 이번 연구는 메탄 건식 개질 상용화에 기여할 것”이라고 기대했다.

한편, 지난 10일 한국에너지기술연구원이 촉매 표면에 심각한 탄소침적으로 인한 비활성화 문제로 인해 상용화되지 못한 검식 개질 공정용 촉매를 개발했다고 밝히기도 했다. 연구팀은 원자 단위 촉매설계와 최적화를 통해 장시간 운전해도 성능 저하가 없는 촉매를 개발했으며, 석유화학, 제철, 시멘트 산업 등 이산화탄소 발생원에 직접 촉매 공정을 설치 및 상용화하기 위한 연구를 준비하고 있다고 한다.


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