국내 연구진이 온실가스를 수소나 일산화탄소(CO) 등 유용 합성가스로 빠르고 안정적으로 처리 가능한 고성능 나노촉매를 개발했다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 박지찬 청정연료연구실 박사팀, 김병현 계산과학연구실 박사팀이 메탄·이산화탄소(CO₂)로 합성가스를 생산하는 '메탄 건식 개질' 반응에서 기존 니켈 촉매보다 생산성·안정성이 각각 2배·16배 높은 세슘-니켈 복합촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.
그동안 메탄 건식 개질 반응은 고온 반응 안정성 문제로 상용화에 어려움이 많았다. 활성 금속 촉매 입자가 서로 엉겨 굳는 '소결'이 일어나고 촉매 입자 표면에 탄소가 급격히 쌓이는 '침적' 현상도 일어났다.
연구진은 세슘을 고르게 바른 니켈 나노입자를 기공이 잘 발달된 알루미늄 산화물 지지체에 높은 함량으로 담은 나노 촉매를 개발했다. 개발 촉매는 고른 입자 분포로 우수한 메탄 건식 개질 반응을 보였다.
연구진은 자동화 합성 장치에 니켈·세슘을 포함한 두 종류 금속염(양전하를 띤 금속 이온, 음전하를 띤 비금속 이온 화합물)을 넣고 알루미나 지지체에 녹여 침투시키는 방법으로 촉매를 만들었다. 일반 습식 기반 촉매 합성법보다 더 작고 균일한 활성 입자 성분 분포를 갖게 했다. 다중 금속염을 원료로 쓰는 복잡·정교한 디자인 촉매 제작이 가능하다는 것을 입증했다.
개발 촉매는 건식 개질 반응 중 탄소 침적 현상 진행도 더디다. 균일 분포된 니켈 입자로 부반응을 효과적으로 억제해, 탄소가 쌓이는 것을 막을 수 있다. 촉매 고안정성 확보 기반을 마련했다.
또 복잡한 촉매 합성 공정이나 비싼 귀금속 전구체 사용 없이 자동화 촉매 합성 기술로 높은 안전성을 가져 경제성이 높다.
박지찬 박사는 “메탄 건식 개질 반응에 필요한 촉매를 고신뢰성 자동화 촉매 합성 시스템으로 고성능 구현했다는 점에서 가치가 있다”며 “촉매 자동화와 디지털화된 제조법 확장에 더욱 노력할 것”이라고 밝혔다.
연구결과는 '저널 오브 머터리얼즈 캐미스트리' 중요 논문(Hot paper), 저널 10주년 기념 1월호 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다.
이번 연구는 에너지연 기본사업과 한국연구재단 스마트 연구실 사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
