에너지연, 30년 촉매 기술 난제 '메탄 직접전환용 촉매'를 디자인하다 디자인했다

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 김희연 에너지소재연구실 박사팀이 지난 30여 년 간 촉매 기술의 난제로 여겨지던 '메탄 직접전환공정'의 효율을 극대화할 수 있는 촉매기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

메탄으로부터 부분산화 된 일산화탄소를 생산해 다른 고부가 화학제품을 만드는 간접전환 공정은 이미 오래전에 상용화됐으나, 높은 에너지 소모와 투자비용, 낮은 효율이 문제였다. 반면 이미 30여 년 전에 제안된 '메탄 직접전환 기술'은 공정이 단순하고 경제적이지만 기술 난이도가 높고 현재까지 반응경로가 명확히 밝혀지지 않았다. 대표적인 촉매 역시 제시된 바가 없다.

다양한 담지량의 텅스텐 촉매

직접전환 기술 중 메탄산화이량화(OCM)는 메탄을 산소와 반응시켜 에틸렌 등으로 직접 전환하는 기술로, 약 800도 이상 높은 반응 온도가 필요하며, 발열로 촉매가 심각하게 비활성화되는 문제가 있다. 또 에틸렌의 수율을 높이기가 쉽지 않다.

연구진은 메탄 직접전환용 촉매의 성능 및 장기 안정성을 극대화하는 촉매 기술을 개발했다.

연구진은 텅스텐 계열 촉매에 질소성분을 도핑, 부반응인 메탄 산화반응을 억제하는 동시에 생성물인 에틸렌 선택도를 향상시키는 기술을 개발했다. 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

또 기존 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착 기술을 촉매 제조 공정에 적용, 단원자 규모 텅스텐 촉매를 합성하는데 성공했다.

합성된 단원자 촉매는 1나노미터(㎚)가 채 되지 않는 크기로, 기존 나노 촉매에 비해 질량당 활성이 100배 이상 우수했다.

연구팀은 텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했다. 이들 단원자 촉매는 다양한 에너지시스템에 적용 가능할 전망이다.

김희연 박사는 “지난 25년 간 수행한 촉매연구 중 메탄 직접전환 공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나였다”며 “메탄 직접전환용 촉매 기술은 탄소중립뿐만 아니라 미래의 에너지 상황에 대비하기 위한 핵심 기술로 지속적 투자가 필요하다”고 강조했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com