한미일, 반도체 공정으로 촉매 제조 성공…에틸렌 수율 29배 개선

화학반응에 쓰이는 촉매 구조를 원자 수준에서 선택적으로 제어하는 기술을 한미일 연구팀이 개발했다. 향후 맞춤형 촉매 설계·제조가 가능해질 전망이다. 한국에너지기술연구원은 김희연 수소에너지연구소 책임연구원 연구팀이 촉매를 구성하는 원자의 크기, 위치와 주변 구조까지 정밀히 제어할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 미국 브룩헤이븐국립연구소(BNL, 아크힐 타얄 박사)와 서울대학교(한정우 교수), 일본 국립재료과학연구소(NIMS, 서옥균 박사)가 이 연구를 지원했다. 김희연 책임연구원은 "이번 연구는 촉매 개발의 제어 범위를 기존의 '성분–함량–크기' 중심에서 '위치와 주변 구조'까지 확장한 것"이라며 "반응별로 요구되는 활성점과 성분 간 상호작용을 고려한 맞춤형 촉매 설계·제조가 향후 가능할 것으로 기대한다"고 말했다. 연구팀은 촉매를 제조하는 기존 액상법이나 함침법에 특정 촉매 성분의 표면에 원하는 원자종을 선택적으로 형성하는 화학기상증착(CVD) 기술을 보태 화학반응에 최적화한 촉매 구조를 실현했다. 김희연 책임은 "선택적 CVD를 활용해 망간(Mn) 입자 표면에만 텅스텐(W) 원자가 달걀 껍데기처럼 담지된 형태로 달라붙게 하는데 성공한 것"이라고 설명했다. 그동안 촉매 제조에 반도체 공정인 CVD를 접목하려는 시도는 공정의 난이도 등으로 인해 드물었다. 연구팀은 이 방법으로 Mn과 W를 촉매로 사용해 메탄을 석유화학 공업의 핵심 원료인 에틸렌으로 전환하는 실험을 진행했다. 이산화규소(실리카) 지지체에 함침법 등으로 Mn촉매를 제조한뒤 W 전구체를 기화시켜 흡착하는 CVD공정으로 촉매를 제조했다. 연구팀은 Mn 표면에만 W 원자층이 선택적으로 균일하게 올라 앉아 맞춤형 촉매 제조가 가능하다는 것을 확인했다. 실제 메탄을 석유화학 공업의 핵심 원료인 에틸렌으로 전환하는 실험 결과 W가 촉매 반응에 활용되는 비율(촉매 활용률)은 기존 액상법 대비 약 28%에서 82%로 3배 가까이 높아졌다. 메탄 전환율은 약 7.5배(6.9%→51.7%) 향상됐다. 최종 생성물인 에틸렌의 수율도 약 29배(0.9%→26.0%) 올랐다. 또 800도 고온에서 180시간 운전해도 원자가 뭉치지 않아 안정적인 성능과 내구성을 나타냈다. 이 기술 활용처는 ▲탄소 자원 전환 및 수소생산, 메탄 건식 개질, 수증기 개질, 프로판 탈 수소화 등 ▲수소 및 연료 전지, 이차전지 전극 ▲기존 촉매의 활성 금속 분산 및 금속-지지체 계면 정밀 제어 ▲맞춤형 CVD 촉매 제조 플랫폼 등에 적용 가능하다. 김희연 책임은 "기술성숙도로 보면 시제품이 나온 4단계 정도 된다"며 " 맞춤형 CVD 촉매 제조 플랫폼을 확립하는 방향으로 이 기술을 발전시켜 나갈 계획"이라고 말했다. 현구결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'(IF 12.5)에 온라인으로 게재됐다.