온실가스인 이산화탄소와 메탄을 반응시켜 수소를 생산하는 획기적인 기술이 개발됐다. 새로운 촉매를 활용한 이 기술은 온실가스를 분해해 친환경 연료를 생산한다는 점에서 1석2조의 기술로 주목 받는다.
울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈) 에너지화학공학부 김건태 교수팀은 성능과 안정성이 뛰어난 메탄 건식 개질 반응용 촉매를 개발했다. 메탄 건식 개질 반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 화학 반응시켜 수소와 공업 원료인 일산화탄소를 생산하는 기술이다.
일반적으로 건식 메탈 개질 반응에는 니켈 금속 기반 촉매를 쓴다. 성능은 좋지만 고온에서 촉매 입자끼리 뭉치는 현상과 반응을 반복할수록 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이는 문제가 있다.
연구팀이 개발한 촉매는 삼상(Ternary) 합금 나노입자가 촉매 표면에 돋아난 형태다. 삼상 합금 나노입자에는 금속 원소 3개(코발트, 니켈, 철)가 섞여 있다. 삼상 합금이 발견된 것은 처음인데 이 합금 나노입자 촉매는 기존 촉매보다 메탄 분해(해리) 반응을 더 잘 촉진한다. 1g을 쓰면 900도에서 초당 약 1.2×1019개의 메탄 분자를 변환할 수 있다. 이는 단상 촉매에 비해 약 84.8 % 증가한 수치이다. 또한 750도에서 약 350 시간이 넘는 시간 동안 잘 작동하는 안정성을 보였다.
제1 저자인 주상욱 연구원은 “합금 나노입자가 메탄의 화학결합을 더 느슨하게 만들어 분해를 촉진 한다”며 “이는 철이 첨가되면서 나타난 합금 나노입자의 전자 구조 변화(d-band shift)때문”이라고 설명했다.
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 전망했다.
이번 연구는 포항공대 화학공학과 한정우 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 화학분야 세계적 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 5월 7일자로 온라인 공개돼 정식출판을 앞두고 있다.방종근 기자 jgbang@kookje.co.kr
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| 울산과학기술원 김건태(오른쪽) 교수와 오진경 연구원
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| 주상욱 연구원
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