온난화 주범 '이산화탄소'보다 더 센 '메탄' 잡는 촉매

에너지연, '메탄 직접전환공정용' 촉매 성능 향상
유용 원료로 전환해 수소생산, 석유화학 원료 생산

김희연 에너지기술연 박사 연구팀은 메탄 직접전환 공정을 통해 효율을 높일 수 있는 촉매를 개발했다. 에너지기술연 제공

김희연 에너지기술연 박사

국내 연구진이 지구온난화 주범인 이산화탄소보다 더 무서운 '메탄'을 직접 전환해 유용 화학원료로 쓸 수 있게 하는 촉매를 개발했다. 이 촉매를 이용하면 수소 생산과 석유화학 연료 등을 보다 간단하고 저렴한 비용으로 제조하는 데 기여할 수 있다.

한국에너지기술연구원은 김희연 박사 연구팀이 지난 30년 간 촉매기술의 난제로 여겨졌던 '메탄 직접전환공정'의 효율을 높일 수 있는 새 촉매기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

메탄은 천연가스, 반추동물(소, 양 등), 쓰레기 매립지, 석탄 광산 등 다양한 곳에서 방출되는 온실가스로, 셰일가스의 주성분이기도 하다. 이산화탄소에 비해 방출량이 200분의 1 수준으로 많지 않지만, 지구 온난화에 미치는 영향은 25배나 많은 기체다.

특히 열을 가두는 특성으로 온난화 유발 효과가 20년 간 지속되고, 지구 온도를 이산화탄소보다 80배 이상 더 올리는 것으로 알려져 있다.

그동안 메탄을 유용한 원료로 전환하기 위한 간접전환 공정은 오래 전에 상용화됐으나, 높은 에너지 소모와 많은 투자 비용, 낮은 전환효율 등이 문제점으로 대두됐다. 이에 반해, 메탄 직접전환 공정은 단순하고, 경제적이지만 기술 난이도가 높고 불명확한 반응 경로뿐 아니라, 촉매 개발이 이뤄지지 않았다. 이 때문에 세계 최대 석유회사인 아람코 등 석유화학 기업을 중심으로 메탄 직접전환기술 상용화를 위한 기술개발 노력이 이어져 왔다.

연구팀은 텅스텐 계열의 나노미터 크기 촉매에 '피리딘(염기성 용제나 공업 원료 등으로 사용되는 무색의 휘발성 액체)'을 첨가해 질소 성분을 도핑함으로써, 메탄 산화반응을 억제하고 생성물인 에틸렌의 선택도를 높여 수율을 향상시켰다.

또한 반도체 공정인 화학기상증착법으로 수∼수십 나노미터 크기의 촉매보다 반응이 100배 이상 우수한 단원자 텅스턴 촉매 제조에도 성공했다. 가령, 5㎚ 크기의 나노 입자에는 단원자 촉매 400개 가량을 배치할 수 있어 기존 나노 촉매에 비해 질량당 활성도가 매우 뛰어나다.

연구팀은 메탄 직접전환공정의 한계 수율인 30%를 극복하기 위한 연구와 함께 단원자 촉매를 수소생산이나 연료전지, 수전해시스템 등 다양한 에너지시스템에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 계획이다.

김희연 에너지기술연 책임연구원은 "지난 30년 간 메탄 직접전환공정은 반응경로가 매우 복잡해 이에 적합한 촉매 개발에 어려움을 겪어왔다"며 "이 촉매 기술은 메탄 저감을 위한 탄소중립 실현과 석유화학 산업과 신재생에너지 시스템 등의 유용한 촉매로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr