석유화학의 '쌀' 에틸렌 보다 더 많이...에너지연, 새로운 촉매 개발

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메탄직접전환용 텅스텐계 촉매. 우측은 질소가 도핑된 것.
<메탄직접전환용 텅스텐계 촉매. 우측은 질소가 도핑된 것.>

석유화학의 '쌀'로 불리는 에틸렌 수율을 극대화하는 촉매가 개발됐다. 새로운 '질소 도핑' 기술을 적용한 결과다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 김희연 에너지소재연구실 책임연구원팀이 온실가스인 메탄을 원료로 에틸렌을 고수율 생산하는 텅스텐계 촉매 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

연구진은 텅스텐 계열 촉매에 질소 성분을 도핑하는 기술을 개발했다. 촉매 제조 과정 중 일정 농도의 피리딘 용액을 촉매 표면에 침투시켜 질소 성분을 도핑했다.

도핑된 질소 성분은 800도 이상 고온에서도 장시간 안정적으로 유지됐다. 이 결과 C2 화합물인 에탄과 에틸렌 선택도를 향상시킬 수 있었다. 불필요한 부반응도 막을 수 있었다. 부반응으로 메탄이 산화하면서 생기는 높은 반응열, 촉매 비활성화를 억제했다.

질소 도핑 기술은 별도 장치나 공정이 필요 없다. 이런 기술은 촉매 표면 산성, 염기성을 조절하거나 지지체-촉매 입자간 결합력 제어, 전자 소자 전기·전자적 성질 제어 등에 다양하게 적용 가능하다. 해당 기술은 국내 특허 등록, 미국 특허 출원을 마쳤다.

연구팀은 이외에도 대표적 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 합성가스를 생산하는 건식개질 공정용 촉매도 개발했다.

김희연 책임연구원은 “탄소중립2050과 관련된 연구는 이미 수십 년 전부터 국내외에서 다양하게 수행돼 왔고, 기존 연구를 통해 보유한 촉매원천기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록하는 것이 중요하다”며 “관련 연구에 대한 지속적 투자가 필요하다”고 당부했다.

한편, 이번 연구는 에너지연 주요사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 '어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental' 3월 19일자 온라인 판에 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com