[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

온실가스 배출로 인한 지구온난화와 기후변화 대응을 위해 많은 국가들이 탄소중립 달성을 선언하고 있다. 이에 따라 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS)은 널리 주목받는 기술로, 특히 이산화탄소를 연료 형태로 전환하는 메탄화 반응은 재생에너지로 생산된 수소를 장기간 저장하거나 이송 가능한 형태로 바꾸는 유망한 경로다.

이산화탄소 메탄화 반응은 발열 반응으로 열역학적으로는 저온에 유리하지만, CO₂ 분자의 안정성 때문에 실제로는 300~500°C의 고온 조건에서만 반응이 활발하다. 하지만 고온에서는 일산화탄소(CO) 같은 부산물이 함께 생겨 메탄 선택도가 낮아지고, 이산화탄소 전환율과 선택도를 동시에 높이기 위한 열역학-동역학 균형 확보가 어려운 상황이었다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 루테늄, 로듐 등 고가의 귀금속 촉매가 저온 메탄화에 시도됐으나, 비싼 가격과 복잡한 전처리 과정 때문에 대규모 산업 적용에는 한계가 있다.

2.연구내용

기계적인 충격 에너지만으로 이산화탄소를 저온에서 메탄으로 전환할 수 있는 새로운 기계화학 공정을 개발했다.

이 공정은 수 mm 크기의 쇠구슬이 들어 있는 볼밀 장치에 산화지르코늄(ZrO₂)과 상용 니켈(Ni) 촉매, 그리고 CO₂와 H₂ 가스를 주입한 뒤 회전시키는 방식이다. 회전 중 쇠구슬의 반복 충돌과 마찰이 촉매 표면에 산소 결함을 형성하며, 이 자리에 이산화탄소가 흡착되고 활성화된다. 이후 니켈이 분해한 수소와 반응하면서 메탄(CH₄)이 생성된다.

특히 기계화학적 충격은 고체 촉매 표면의 결함을 실시간으로 재생성해, 열을 사용하지 않고도 반응 장벽을 낮춘다. 기계적 에너지만으로도 충분한 반응 조건을 확보할 수 있어, 고온 가열이나 다단계 촉매 처리 과정이 필요 없다. 실제 실험에서는 산화지르코늄의 CO₂ 포집 능력이 열처리 방식 대비 75배 이상 향상된 것으로 나타났다.

연구팀은 이 공정으로 65°C의 낮은 온도에서 CO₂ 전환율 99.2%, 메탄 선택도 98.8%를 달성했으며, 15°C의 연속 공정 조건에서도 81.4% 전환율과 98.8% 선택도를 유지하는 데 성공했다. 이는 기존 고온 공정과 달리, 상온 수준에서도 고효율 메탄화를 실현할 수 있음을 입증한 것이다.

3.기대효과

직접적인 기계화학적 방법은 이산화탄소 메탄화에서 활성과 선택성 사이의 상충관계를 해결할 수 있는 새로운 길을 제시한다. 이러한 기계화학적 이산화탄소 포집 및 메탄화 기술은 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS)을 위한 유망한 대안이 될 수 있다.

[붙임] 용어설명

1.이산화탄소 메탄화(CO2 methanation)

이산화탄소 메탄화는 수소화를 통해 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 과정(CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O, ∆H = −165 kJ mol‒1)으로, 1902년 사바티에(Sabatier)에 의해 처음 발견되었다. 이산화탄소 메탄화는 기존 천연가스 저장 시설을 활용한 전력-가스 전환(power-to-gas) 시스템을 통해 지속 가능한 에너지를 저장하는 유망한 방법으로 간주되고 있다.

2.역수성가스 전환 반응(Reverse water-gas shift reaction, RWGS)

역수성가스 전환 반응(RWGS)은 수소화를 통해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 과정(CO2 + H2 → CO + H2O, ∆H = +41 kJ mol‒1)이다.

3.전환율 (conversion rate)

주어진 반응물(예: :이산화탄소) 중 실제로 반응에 참여해 다른 물질로 바뀐 비율을 뜻한다. 예를 들어 전환율이 81%라면, 투입된 이산화탄소 100개 중 81개가 반응에 참여했다는 의미다. 반응이 많이 일어날수록 전환율이 높아진다.

4.선택도

반응에 참여한 물질 중 원하는 생성물(예: 메탄)이 얼마나 효율적으로 만들어졌는지를 나타낸다. 예를 들어 메탄 선택도가 98%라면, 반응에 참여한 이산화탄소가 거의 대부분 메탄으로 바뀌었다는 뜻이다. 선택도가 낮으면 불필요한 부산물이 함께 생기는데, 이산화탄소 메탄화에서는 주로 일산화탄소(CO)와 수증기(HO)가 부산물로 생성된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 쇠 구슬 표면에서 이산화탄소(위)가 메탄(아래)으로 변환되는 과정을 표현한 그림

그림 2. 기계화학 공정에서 촉매와 원료 주입 순서에서 따른 효율 비교. 이산화탄소(CO₂)와 수소(H₂)의 주입 순서 및 니켈(Ni) 촉매의 조합에 따라 메탄화 반응의 효율이 달라진다. 세 가지 방법 모두 기계화학적 CO2 메탄화에 활용될 수 있으며 비교 가능한 성능을 달성할 수 있다.

그림 3. 기계화학적 이산화탄소 메탄화의 활성. (a) 실험 결과, CO₂의 99.2%가 반응에 참여해 98.8%의 높은 선택도로 메탄으로 전환됐으며, (b) 상용 산화지르코늄에서 기계화학적으로 유도된 CO2 포집이 열화학적으로 유도된 CO2 포집 대비 75배 이상 높게 나타났다.