업계뉴스

연구진 단체사진(왼쪽 위 부터 시계방향으로(안병선 박사,박용하 박사, 정운호 박사,구기영 박사) /에너지기술연구원 제공

[투데이에너지 장재진 기자] 대표적인 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 친환경 연료의 핵심 원료로 탈바꿈시키는 혁신적인 기술이 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)에서 개발됐다.

에너지연 수소연구단 구기영 박사 연구진은 역수성가스전환반응용 신촉매를 개발하여 상용 구리 촉매 대비 일산화탄소(CO) 생성 속도를 1.7배, 생성 수율을 1.5배 향상시키는 데 성공했다고 30일 밝혔다.

이 연구 결과는 촉매 분야의 저명 학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B : 엔바이러멘탈 앤 에너지’ 5월호 온라인에 게재됐다.

탄소중립 시대, 이산화탄소 활용의 중요성 부각 역수성가스전환반응은 이산화탄소와 수소를 반응시켜 일산화탄소와 물을 생산하는 기술이다. 이렇게 생성된 일산화탄소는 합성가스로 전환되어 이퓨얼(E-Fuel)이나 메탄올 등 친환경 합성연료의 원료로 활용될 수 있어 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.

기존의 역수성가스전환반응에는 주로 열 안정성이 높은 니켈 기반 촉매가 사용되었으나, 고온 환경에서의 촉매 활성 저하 및 저온에서 메탄과 같은 부산물 생성 문제가 있었다. 또한 구리 기반 촉매는 저온에서 일산화탄소만 선택적으로 생산할 수 있지만, 400도 환경에서 낮은 열 안정성으로 인해 입자 응집 문제가 발생했다. 이에 따라 공정 비용을 절감하고 효율을 높이기 위한 저온 고활성 촉매 개발의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

구리-마그네슘-철 혼합 산화물, 촉매 성능의 새 지평 열다 에너지연 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 값싸고 풍부한 구리 기반의 촉매에 주목했다. 연구진은 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매를 개발하여 400도의 저온 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소를 1.7배 빠르게, 1.5배 많이 생성하는 데 성공했다.

특히, 연구팀은 층상 이중 수산화물 구조를 구현하여 구리 입자 간 공간을 철과 마그네슘으로 채움으로써 구리의 열 안정성을 획기적으로 높였다. 이를 통해 저온에서의 촉매 응집 문제를 해결하고 안정적인 성능을 유지할 수 있게 됐다.

실시간 적외선 분석 및 반응 실험을 통해 밝혀진 촉매의 우수한 성능 원리는 반응 메커니즘의 차이에서 비롯된다. 기존 구리 촉매가 중간체인 포름산염을 거쳐 일산화탄소를 생성하는 반면, 개발된 촉매는 중간체 없이 촉매 표면에서 즉시 일산화탄소를 전환시켜 반응 효율을 극대화한다. 이는 불필요한 중간 물질이나 메탄 부산물의 생성을 억제하여 400도의 낮은 온도에서도 높은 활성도를 가능하게 한다.

세계 최고 수준의 고효율 촉매 기술 입증 이번에 개발된 촉매는 400도에서 33.4%의 일산화탄소 수율과 촉매 1그램당 1초 동안 223.7마이크로몰(μmol·gcat-1·s-1)의 일산화탄소 생성 속도를 달성하며, 100시간 이상 안정적으로 작동하는 뛰어난 성능을 보였다. 이는 상용 구리 촉매는 물론, 저온에서 활성이 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 월등히 높은 수치로, 일산화탄소 생성 속도 면에서는 2.2배, 수율 면에서는 1.8배 높은 세계 최고 수준의 성과다.

연구책임자인 구기영 박사는 "저온 이산화탄소 수소화 촉매 기술은 값싸고 풍부한 금속으로 일산화탄소를 고효율로 생산할 수 있는 혁신적인 성과"라며, "지속 가능한 합성연료의 핵심 원료 생산에 직접 활용될 수 있으며, 앞으로 실제 산업 현장에 확대 적용되어 탄소중립 실현에 기여할 것"이라고 기대감을 밝혔다.

이 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업 ‘이산화탄소와 수소로부터 지속가능항공유(e-SAF) 생산기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.

■ 용어 설명

역수성가스전환반응=이산화탄소(CO2)를 수소(H2)와 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H2O)을 만드는 기술.

이퓨얼(E-Fuel)=재생에너지 기반의 전기를 통해 생산된 수소와 공기 중 포집 이산화탄소나 바이오매스에서 나오는 이산화탄소를 이용하여 만든 연료. 기존 화석연료를 대체할 수 있는 탄소중립 연료로 주목받고 있다.

층상 이중 수산화물 구조=얇은 금속층 사이에 물과 음이온이 끼어있는 샌드위치 형태의 구조로, 금속 이온의 종류와 비율을 조절해 다양한 물리적, 화학적 특성을 만들 수 있다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)