CO₂→휘발유 직접 전환….화학연 최적화 촉매기술 개발

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이산화탄소(CO₂)를 휘발유로 직접 전환하는 촉매 원천기술이 국내에서 개발됐다. 정부가 추진하는 온실가스 배출 감축 정책을 돕는 핵심 기반이 마련됐다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 전기원·김석기 탄소자원화연구소 박사팀이 CO₂를 휘발유(탄화수소)로 전환하는 반응 메커니즘을 규명하고, 관련 공정 촉매를 최적화·개발하는데 성공했다고 10일 밝혔다.

촉매기술을 이용해 이산화탄소에서 전환한 휘발유
<촉매기술을 이용해 이산화탄소에서 전환한 휘발유>

연구팀은 2단계로 나뉘어 있던 간접 전환 공정을 단일화·통합하는 방법으로 직접 전환 공정을 마련했다. 이 경우 300도 저온에서 전환 반응을 일으킬 수 있다. 기존 간접 전환 반응에 필요한 800도 대비 절반 이하다. 공정에 필요한 에너지가 적어 효율이 높을 수밖에 없다.

관건은 직접반응 메커니즘을 밝혀낸 것이다. 그동안은 메커니즘이 베일에 가려져 있어 촉매 성능 최적화에 한계가 있었다. CO₂를 휘발유로 직접 전환하는 것에는 철이 주된 역할을 하고 구리·칼륨 촉매가 이를 보조하는데, 연구팀이 구리와 칼륨 역할을 규명했다.

철·구리·칼륨 촉매 표면에서 이산화탄소(CO2)로부터 휘발유를 생산하는 반응을 나타낸 그림
<철·구리·칼륨 촉매 표면에서 이산화탄소(CO2)로부터 휘발유를 생산하는 반응을 나타낸 그림>

연구 결과 구리는 CO₂를 일산화탄소(CO)와 산소(O)로 쪼개고, 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 것으로 나타났다. 철 기반 촉매 반응을 보조한다. 칼륨은 CO가 연쇄 결합해 휘발유로 바뀌는 '탄화수소 성장 반응'을 촉진시킨다.

연구팀은 이 결과를 활용해 촉매에 들어가는 적절한 구리·칼륨 양을 도출하고, 최적화 촉매를 개발했다. 개발 촉매는 20%에 달하는 안정적인 휘발유 전환효율을 보였다.

한국화학연구원 탄소자원화연구소 연구진. 사진 왼쪽부터 한승주 박사, 전기원 박사, 김석기 박사, 박해구 연구원.
<한국화학연구원 탄소자원화연구소 연구진. 사진 왼쪽부터 한승주 박사, 전기원 박사, 김석기 박사, 박해구 연구원.>

전기원 박사는 “간접 전환 방식보다 효율적인 직접 전환 공정 개발에 큰 도움을 줄 기술 개발에 성공했다”며 “이번에 개발한 원천기술을 파일럿 플랜트 단계로 키우는 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com