보도자료

2024. 9.12.(목)부터 보도해 주시기 바랍니다.

화석연료 대신 이산화탄소로 항공유 만든다

UNIST·LG화학, 탄소배출 80% 감축 항공유 생산 촉매 개발
이소파라핀 생성 촉매, 지속 가능 항공유 상용화 가능성 높여

이산화탄소를 활용해 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 지속 가능한 항공유(SAF) 생산 촉매 기술이 개발됐다. 대기 중 이산화탄소를 포집해 고부가가치 탄화수소인 이소파라핀을 생성해 탄소중립에 기여할 것으로 보인다.

UNIST(총장 박종래) 에너지화학공학과 안광진 교수팀과 LG화학 탄소중립연구 TFT는 이산화탄소를 활용해 지속 가능한 항공유(SAF) 생산에 적합한 이소파라핀 생성 촉매를 개발했다. 철 기반 촉매와 함께 사용돼 기존 제올라이트 촉매를 대체하며, 이소파라핀 생성 비율을 크게 높이는 데 성공했다.

특히 플래티넘 기반 텅스텐-지르코니아 촉매를 이용해 생산된 항공유는 기존 화석연료 기반 항공유에 비해 탄소 배출량을 최대 80%까지 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이산화탄소를 직접 이소파라핀으로 전환함으로써 공정 효율성도 크게 향상시킨 것이 특징이다.

이 촉매는 탄소 침적이 적고 장시간 동안 안정적인 반응이 가능해 상용화 가능성이 매우 높다. 항공 산업은 물론, 다른 수송 분야에서도 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 데 도움이 될 것으로 전망된다.

안광진 교수는 “반응 중 코크에 취약한 기존 제올라이트 촉매의 한계를 극복하고, 이소파라핀의 생성 비율을 극대화할 수 있는 새로운 촉매 방법을 제시했다”고 설명했다. 김원희 LG화학 책임 연구원은 “이 기술은 연료의 경제성을 높이고, 추가 정제 과정에서 발생하는 비용을 최소화할 수 있어 산업적 활용 가치가 높다”고 강조했다.

현재 항공 수송 분야는 전체 이산화탄소 배출량의 24.5%를 차지하고 있으며, 탄소 중립을 달성하기 위해 SAF의 상용화가 시급한 과제로 떠오르고 있다. 국제항공운송협회는 SAF 사용 비율을 높이기 위한 규제를 강화하고 있다.

연구는 한국기초과학지원연구원의 기술적 지원을 받아 진행됐으며, 결과는 세계적인 국제학술지 'ACS Catalysis'에 지난 8월 9일 자로 온라인 게재됐다. 연구는 한국연구재단과 산업통상자원부 소재부품장비 지원사업 지원을 받았다.

(논문명: Enhanced Isoparaffin Selectivity in CO2 Hydrogenation by Combining Na-promoted Fe3O4 and Pt/WO3-ZrO2 Catalysts)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

에너지화학공학과: 안광진 교수 (052)217-2586

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

대기 중 이산화탄소의 농도가 급격하게 증가함에 따른 기후 문제를 해결하기 위한 대안 중 하나로 이산화탄소 포집, 활용 및 저장 (CCUS, Carbon dioxide Capture Utilization and Storage) 기술이 필수적인 요소로 평가받는다. 다양한 CCUS 기술 중 이산화탄소를 수소와 반응하여 메탄올, 경질 올레핀 및 액체 탄화수소 (C5+) 등 다양한 고부가가치의 탄소 화합물들을 합성할 수 있으며, 그중 액체 탄화수소의 경우 가솔린, 디젤, 항공유 등 운송 수단에서의 연료로서 활용이 가능하다. 결국 이산화탄소 수소화 반응을 통한 지속 가능 연료의 생성으로 탄소 재활용을 실현시킬 수 있다. 이산화탄소 전환을 위해 메탄올 전환 후 연료로 전환하는 2단계 공정 혹은 역수정전환반응 (Reverse Water-Gas Shift (RWGS) reaction)과 피셔-트롭쉬 (Fischer-Tropche) 반응으로 구별된 2단계 공정으로 액체탄소수소를 얻을 수 있다. 최근에는 Na과 같은 알칼리 금속으로 처리된 산화철 계열의 촉매를 이용하여 역수성 가스전환반응과 피셔-트롭쉬가 연속적으로 이루어지는 이산화탄소 직접전환반응이 개발되었다. 이산화탄소의 직접전환반응에서 액체 탄화수소의 선택성을 높이기 위해 제올라이트가 첨가되는 이중 촉매층 (Dual-bed typed) 반응기가 보고되었다. 탄화수소의 여러 종류 중, 이소파라핀은 높은 옥탄가를 통한 깨끗하고 효율적인 연소 능력 뿐만 아니라 화학적 안정성을 보유하고 있어 지속 가능 연료에 가장 적합한 탄화수소 종류 중 하나로 평가받고 있으며, 이산화탄소로부터 이소파라핀의 생성을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 연구내용

본 연구는 이산화탄소로부터 생성된 액체 탄화수소 내 이소파라핀의 비율을 극대화하기 위하여 새로운 촉매를 도입하였다. 구체적으로, 나트륨(Na)이 담지된 산화철(Fe3O4) 촉매를 이용하면 이산화탄소로부터 올레핀 위주의 탄화수소 혼합물이 생성된다. 이 탄화수소 혼합물이 플래티넘 텅스텐-지르코니아(Pt/WO3-ZrO2) 촉매로 인해 추가적인 이성질화 및 수소화를 거쳐 파라핀 및 이소파라핀의 생성이 촉진되었다. 이번 연구를 통하여 올레핀으로부터 이소파라핀 생성 시 플래티넘(Pt)의 수소화 및 텅스텐산(WO3)의 이성질화 역할을 확인하였으며 이소파라핀 생성 비율을 극대화하기 위하여 플래티넘 및 텅스텐의 비율을 최적화하였다. 또한 기존 연구에서 활용되는 제올라이트 촉매(ZSM-5 및 MCM-22)와 비교했을 때 플래티넘 텅스텐-지르코니아 촉매의 이소파라핀 생성 비율이 제올라이트 촉매에 비해 높았을 뿐만 아니라, 반응 중 촉매에 침적되는 탄소 인한 촉매의 비활성화를 최소화하여 촉매의 안정성이 높아 100시간 이후에도 촉매 활성이 떨어지지 않는 것으로 확인되었다.

3. 기대효과

본 연구는 이산화탄소 직접수소화 반응 및 탄화수소 이성질화 반응을 한번에 실현할 수 있는 새로운 이중층 촉매를 개발하여 이산화탄소로부터 이소파라핀의 생성을 극대화였다. 특히 이산화탄소를 이소파라핀으로 직접 전환함으로 인하여 가솔린, 디젤, 항공유 등 운송 수단을 위한 연료로의 활용을 위한 추가 정제 관련 비용을 감소시켜 경제성을 높일 수 있다. 향후 지속가능 항공유 (SAF)의 개발에 정유회사와 항공사가 본격적으로 공동협력 및 연구개발을 추진하는 상황에서 꿈의 기술인 CO2-to-SAF의 원천기술 개발을 통해 미래 탄소중립 및 항공유 시장을 선점할 수 있다. 2021년 항공사 단체인 국제항공운송협회 (IATA)는 오는 2050년까지 항공사들의 탄소 순배출량을 제로로 만들기로 합의하고 각국이 SAF 사용을 확대해 나가기로 협약하였다. 유럽연합 (EU)는 2025년부터 항공유 공급사가 반드시 2% 이상의 SAF를 섞도록 의무화하며 2050년까지 70% 비율로 높이는 것을 목표로 삼았다. 현재의 SAF 제조는 폐식용유를 비롯한 지방 성분의 폐기물과 유지 식물 등을 원료로 하며, 옥수수와 같은 농산물 및 임업 잔류물, 목재 부산물, 비식용 작물 등의 바이오매스 원료에 의존한다. 우리나라와 같이 바이오매스 원료가 풍부하지 않은 나라는 넷제로 탄소중립을 실현하기 위해 CO2-to-SAF의 원천기술 개발에 보다 초점을 맞추어야하는데, 본 연구를 통해 미래 탄소중립기술 및 항공, 정유 산업에서 기술적 우위를 점할 수 있다고 판단된다. 결론적으로, 본 원천기술을 통해 이산화탄소로부터 지속가능 연료의 생성을 통한 탄소중립을 실현시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.

[용어설명]

1. 이산화탄소 수소화(CO2 hydrogenation)

이산화탄소 수소화 반응은 이산화탄소와 수소를 반응시켜 다양한 탄소 화합물들을 생성하는 이산화탄소 전환 방식의 한 종류이다. 철 촉매를 활용하는 경우 이산화탄소를 수소와 반응하여 일산화탄소로 전환하는 역수성가스전환과 생성된 일산화탄소를 수소와 반응하여 메테인, 올레핀, 파라핀 등 다양한 종류의 탄화수소 혼합물이 생성되는 피셔 트롭쉬 반응이 연속적으로 수행된다. 또한 철 기반 촉매에서 생성된 탄화수소 혼합물을 활용해 제올라이트와 같은 산 촉매를 통한 추가 반응으로 이소파라핀, 방향족 탄화수소 등 특정 탄화수소의 생성이 극대화될 수 있다.

2. 지속 가능 연료(Sustainable fuel)

지속 가능 연료는 환경적, 경제적, 사회적 측면에서 장기적으로 사용할 수 있도록 설계된 연료를 의미한다. 이러한 연료는 사용과 생산 과정에서 환경에 미치는 부정적인 영향을 최소화하고, 재생 가능한 자원을 기반으로 하며, 경제적으로 효율적이고, 사회적으로 수용가능한 특성을 갖는다. 지속 가능 연료는 화석 연료 의존도를 줄이고, 온실가스 배출을 감소시키며, 에너지 안보를 강화하는 데 중점을 둔다.

3. 이소파라핀(Isoparaffin)

이소파라핀은 탄소 간 결합이 단일 결합만을 갖는 포화 탄화수소의 한 종류로서, 선형 파라핀(Linear paraffin)과 화학식은 같으나 최소 하나 이상의 알킬기가 탄화수소 사슬 밖에 존재하는 파라핀으로 가지형 파리핀(Branched alkyl hydrocarbon)이라고도 불린다. 이소파라핀은 높은 옥탄가, 청정 연료 특성, 화학적 안정성 및 낮은 끓는점 등 연료로서 여러 중요한 장점을 보유하고 있으며, 특히 고성능 연료나 항공유, 윤활유 등의 고급 연료로서 중요한 역할을 한다.