에너지연구원, 메탄 직접전환용 고효율 촉매 개발

온실가스인 메탄으로부터 고부가가치 석유화학 원료 생산

[대전=뉴시스] 메탄 전환용 단원자 촉매 개념도.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사 연구팀이 메탄 직접전환공정의 효율을 극대화할 수 있는 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

이산화탄소와 함께 지구온난화의 주범인 메탄(CH4)을 유용한 원료로 전환키 위한 기술 중 메탄으로부터 부분산화된 일산화탄소를 생산해 고부가 화학제품을 만드는 간접전환 기술(공정)은 상용화됐으나 높은 에너지 소모와 투자비용, 낮은 효율이 문제다.

또 30여 년 전에 제안된 직접전환 기술(Direct Coupling of Methane)은 간접전환 공정에 비해 공정이 단순하고 경제적이지만 기술 난이도가 높고 대표적인 촉매도 제시되지 못하고 있다.

이번 연구서 에너지연구원은 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 처리로 질소성분을 도핑시켜 메탄 산화반응을 억제하고 에틸렌의 선택도를 향상시키는 기술을 개발했다.

기존 질소 도핑 기술은 특별히 설계된 장치를 사용해 고온, 고압 조건에서 암모니아를 사용하지만 에너지연구원은 촉매 제조 과정에서 액체 상태의 피리딘을 일정 농도 첨가하는 것만으로 간단하게 질소를 도핑했다.

피리딘의 첨가량 조절만으로 질소도핑 농도를 변화시킬 수 있으며 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

또 기존 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 기술을 촉매 제조공정에 적용해 단원자(single atom) 규모의 텅스텐 촉매를 합성하는데 성공했다.

[대전=뉴시스] 화학기상증착법을 이용한 텅스텐 단원자 촉매.

합성된 단원자 촉매는 1㎚보다 작고 텅스텐 단원자 촉매의 경우 메탄산화이량화 반응에서 기존의 나노 촉매에 비해 질량당 활성(mass activity)이 100배 이상 우수한 것으로 나타났다.

이어 에너지연구원은 텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했으며 이번에 개발한 단원자 촉매는 메탄 직접전환공정 이외에도 수소생산, 연료전지 및 수전해시스템, 광전기화학적 수소생산 등 다양한 에너지시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

김희연 책임연구원은 "촉매연구 중 메탄 직접전환 공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나"라면서 "메탄 직접전환용 촉매 기술은 탄소중립뿐만 아니라 미래의 에너지 상황에 대비키 위한 핵심 기술로 중요성이 크므로 촉매연구에 지속적 투자가 필요하다"고 말했다.

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