이산화탄소로 '친환경 연료' 만드는 촉매 양산 추진
국내 연구진이 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 친환경 연료로 만드는 새로운 촉매 기술을 개발, 양산을 추진한다. 한국에너지기술연구원은 수소연구단 구기영 박사 연구팀이 이산화탄소를 친환경 연료의 핵심 원료로 탈바꿈하는 세계 최고 수준의 역수성가스전환반응용 촉매를 개발하고, 이의 양산화에 들어간다고 30일 밝혔다. 역수성가스전환반응은 이산화탄소를 수소(H₂)와 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H₂O)을 만드는 기술이다. 여기서 나온 일산화탄소는 남은 수소와 혼합해 합성가스로 전환시켜 이퓨얼(E-Fuel) 같은 합성연료나 메탄올 원료로 활용할 수 있다. 이퓨얼은 재생에너지 기반의 전기로 생산한 수소와 공기를 바이오매스 등에서 나오는 이산화탄소 등과 합성해 만든 연료다. 기존 화석연료를 대체할 수 있는 탄소중립 연료로 주목받고 있다. 역수성가스전환반응은 800도 이상의 고온 환경에서 주로 니켈 기반 촉매를 사용한다. 그러나 이 촉매는 고온에 장시간 노출될 경우 입자가 응집돼 활성도가 떨어지는 단점이 있다. 또 저온에서는 메탄 등의 부산물이 생성돼 일산화탄소 생산성이 떨어진다. 연구팀은 이를 해결할 방안으로 값싸고 공급이 쉬운 구리에 마그네슘과 철을 혼합한 산화물 촉매를 개발했다. 이 촉매는 400도의 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소 생성 속도는 1.7배 더 빠르고, 생성량은 1.5배 더 느는 장점이 있다. 이 촉매는 또 니켈 기반 촉매와 달리, 400도 이하의 저온에서도 메탄과 같은 부산물을 만들어내지 않고, 일산화탄소만 선택적으로 생산할 수 있다. 구기영 박사는 "이같은 장점에도 불구하고, 산화물 구리 촉매가 400도 환경에서 열 안정성이 매우 낮아 입자 응집현상을 일으켰다"며 "이를 층상 이중 수산화물 구조를 구현해 해결했다"고 설명했다. 층상 이중 수산화물 구조는 얇은 금속층 사이에 물과 음이온이 끼어있는 샌드위치 형태로, 금속 이온의 종류와 비율을 조절해 다양한 물리적, 화학적 특성을 만들 수 있다. 연구진은 철과 마그네슘을 혼합해 구리 입자 간 공간을 채움으로써 입자가 응집되는 것을 막아 열 안정성을 높였다. 또 실시간 적외선 분석과 반응 실험을 통해 개발된 촉매가 기존의 촉매보다 높은 성능을 나타내는 원인을 파악했다. 기존 구리 촉매를 사용하면 이산화탄소와 수소가 반응해 중간체인 포름산염이 먼저 생성된 후 일산화탄소로 전환된다. 반면 이번에 개발한 촉매는 중간체를 생성하지 않고 촉매 표면에서 즉시 일산화탄소로 전환되는 것을 확인했다. 구기영 박사는 "반응 중 불필요한 중간물질이나 메탄 부산물을 만들지 않아 400도의 낮은 온도에서도 높은 활성도를 나타낸다"고 부연 설명했다. 이 촉매는 400도에서 일산화탄소 수율 33.4%와 촉매 1그램당 1초 동안 223.7마이크로몰의 일산화탄소 생성 속도를 달성하고 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 이는 상용 구리 촉매 대비 일산화탄소 생성 속도는 1.7배 이상, 생성 수율은 1.5배 이상 높인 성과다. 또 저온에서 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 일산화탄소 생성 속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높은 세계 최고 수준을 나타냈다. 구기영 박사는 “지속 가능한 합성연료의 핵심 원료 생산에 직접 활용될 수 있다”며 “현재 플랜트에 적용하기 위한 양산 사업화를 추진 중"이라고 말했다. 비에타 과제,,한국연구재단 지원받아,,,비예타 규모,,,양산을 위한 플랜트적용을 위한 촉매 기술을 개발하고, 양산을 추진한다. 연구성과는 에너지·환경 촉매 분야 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 B : 엔바이러멘탈 앤 에너지'(Applied catalysis B: Environmental and Energy, IF 21.1)에 온라인(5월)으로 게재됐다. 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업 '이산화탄소와 수소로부터 지속가능항공유(e-SAF) 생산기술 개발' 과제의 지원을 받았다.
