온실가스로 수소 만드는 삼합(三合) 촉매 나왔다!

이산화탄소와 메탄을 반응시켜 수소를 생산하는 새로운 촉매가 개발됐다. 온실가스를 분해해 친환경 연료를 생산하는 1석 2조 기술로 주목 받고 있다.

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. 화학 반응에 소모되는 에너지를 줄이기 위해 촉매를 쓴다.

그림1. 삼상 촉매의 전자현미경(SEM) 사진 및 반응성 비교

연구팀이 개발한 촉매는 삼상(Ternary) 합금 나노입자가 촉매 표면에 돋아난 형태다. 합금 나노입자에 금속 원소 3개(코발트, 니켈, 철)가 섞여 있어 기존 촉매보다 메탄 분해(해리) 반응을 더 잘 촉진한다.

제1저자인 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.

그림2. 표면에 삼상 나노입자가 돋아난 촉매의 성능

개발된 촉매 1g(그램)을 쓰면 900 oC에서 초당 약 1.2×1019개의 메탄 분자를 변환할 수 있다. 이는 단상 촉매에 비해 약 84.8 % 증가한 수치이다. 또한 750 oC에서 약 350 시간이 넘는 시간 동안 잘 작동하는 안정성을 보였다.

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 ‘스마트 자가재생(용출, exsolution) 촉매’의 한 종류다. 촉매 입자 내부의 금속 원소가 반응을 반복하면 표면으로 솟아오르는 용출 현상을 이용하는 촉매다. 표면이 새로운 금속 나노 입자로 재생되면서 촉매 성능을 오래 유지 할 수 있다. 특히 니켈(Ni) 또는 코발트(Co) 금속을 용출 시키면 이 둘이 나노 입자 합금을 만들어 성능이 뛰어나다.

이번 연구에서는 촉매 입자 표면에 철을 얇게 입혀 니켈과 코발트 금속을 표면으로 더 잘 올라오게 만들었다. 또 용출된 니켈, 코발트 입자가 철과 섞여 새로운 삼상 합금이 형성돼 성능이 더 좋아졌다. 삼상 합금이 발견 된 것은 최초다.

오진경 UNIST 에너지공학과 석사과정 연구원은 “새로 개발한 방법(Topotactic exsolution)을 이용해 삼상 촉매를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 단위 면적 당 약 200 개가 넘는 합금 나노 촉매 입자를 만들어 건식 개질 촉매 반응성을 높일 수 있었다”고 전했다.

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 7일(금)일자로 온라인 공개돼 정식출판을 앞두고 있다.