온실가스 줄이고 수소 생산성 높이고…KAIST, 新촉매 개발

글자 작게 글자 크게 인쇄하기

한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)이 온실가스는 줄이면서 수소 생산성은 높일 수 있는 새로운 촉매 기술을 개발했다.

KAIST는 자패르 야부즈 생명화학공학과 교수팀이 장시간 사용해도 코킹과 소결 현상이 발생하지 않는 메탄 건식 개질 반응 촉매를 개발했다고 17일 밝혔다.

메탄 건식 개질 반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 동시에 감축할 수 있으면서도 화학산업 기반인 합성가스를 생산할 수 있어 큰 관심을 받고 있다. 하지만 반응이 진행될수록 촉매 표면 단결정 마그네슘 산화물 꼭짓점 부분에서 탄소가 쌓여 반응성을 낮추는 코킹 현상이 발생했다. 나노입자가 서로 뭉치게 되는 소결 현상도 일어나 실제 산업 적용에 큰 어려움이 있다.

촉매 합성 방법과 현미경 이미지
<촉매 합성 방법과 현미경 이미지>

연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 단결정 마그네슘 산화물 지지체에 담았다. 새로운 촉매는 800도로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체 꼭짓점을 막아 안정되는 현상을 보였다. 니켈-몰리브데넘 나노입자가 지지체 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리다. 소결 현상도 없었다.

연구팀은 개발 촉매를 온도변화에 민감한 메탄의 건식 개질 반응에 적용하기 위해 온도를 변화시키며 활성도를 측정한 결과 800도에서 700도까지의 변화 구간에서도 활성도가 안정적인 것을 확인했다. 반응 중간에 온도를 상온으로 낮추었다가 재가동해도 활성도에 영향을 주지 않음을 확인했다.

개발 연구진. 사진 왼쪽부터 자패르 야부즈 교수, 송영동 박사과정(1저자), 스리랑카파 라메쉬 박사(3저자)
<개발 연구진. 사진 왼쪽부터 자패르 야부즈 교수, 송영동 박사과정(1저자), 스리랑카파 라메쉬 박사(3저자)>

실제 산업 적용을 위해 고압 조건에서 측정한 결과 15바(bar) 압력에서도 안정적인 것으로 나타났다. 또 800도에서 850시간 동안 사용 후에도 코킹 및 소결 현상이 발생하지 않았다.

연구팀은 개발 촉매가 현재 수소생산의 90% 이상을 차지하는 메탄의 습식 개질 반응에 직접 적용이 가능하고, 이를 통해 합성가스 생산비용 절감, 니켈 기반 저렴한 촉매생산, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대했다.

1저자인 송영동 박사과정은 “그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조과정 없이 해결했다”며 “단결정 위에서 나노입자가 안정화되는 기술을 다른 지지체와 금속 나노입자를 이용해 적용하면 다양한 문제를 해결할 수 있을 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com