메탄으로 친환경 촉매..에틸렌 생산 늘린다

한국에너지기술연구원 개발성공
촉매에 질소입혀 에탄수율 향상
UNIST 김건태 교수 연구팀
친환경 수소 생산 촉매 개발도

김희연 에너지연 박사 연구팀이 개발한 촉매로, 온실가스 주범인 메탄을 석유화학의 쌀인 에틸렌을 높은 수율로 생산할 수 있다. 에너지연 제공

김건태 UNSIT 교수(오른쪽) 연구팀은 이산화탄소와 메탄을 반응시켜 친환경 연료인 수소를 생산하는 '메탄 건식 개질 반응용 촉매'를 개발했다. UNIST 제공

국내 연구진이 탄소중립 실현에 성큼 다가설 수 있는 새로운 촉매를 잇따라 내놨다. 온실가스의 주범인 메탄을 유용한 화합물과 친환경 연료로 만들기 위한 촉매로 널리 쓰일 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원은 김희연 박사 연구팀이 온실가스인 '메탄'을 원료로 석유화학의 '쌀'로 불리는 에틸렌의 생산성을 높이는 새 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.

탄소중립을 실현하려면 이산화탄소와 함께 온실가스를 유발하는 메탄을 유용한 물질로 전환하기 위한 기술 개발이 요구된다.

연구팀은 텅스턴 계열의 촉매에 질소 성분을 입히는 간단한 방법으로 촉매 반응 중 부반응(탄소산화물)을 억제하면서 동시에 생성물인 C2화합물(에탄, 에틸렌)의 선택도를 높이는 데 성공했다. 질소 성분을 촉매에 입히면 부반응물인 탄소산화물은 줄이면서 생성물인 에탄과 에틸렌의 생산 수율은 높일 수 있다는 것을 계산화학으로 검증한 연구성과라는 게 연구팀의 설명이다. 질소 도핑 기술은 별도 장치나 공정 필요 없이 단순히 피리딘(염기성 용제나 공업 원료 등으로 사용되는 무색의 휘발성 액체) 용액을 촉매 표면에 입히는 것만으로 다양한 농도의 질소를 도핑할 수 있는 장점이 있다.

이에 반해, 기존 세라믹이나 탄소 소재에 질소 성분을 도핑하려면 특별히 설계된 공정에서 암모니아 가스를 1000도 이상의 고온·고압을 가해야 하기에 위험성과 공정 비용이 비쌌다.

김희연 에너지연 박사는 "기존 촉매의 기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록 완성도를 높인 것"이라며 "석유화학과 제철, 시멘트 등 이산화탄소 발생원에 직접 촉매 공정을 설치, 상용화하는 연구를 진행하고 있다"고 말했다. 이 연구결과는 환경분야 국제 학술지 '어플라이드 카탈라시스 B 환경(지난 3월 19일자)' 온라인판에 게재됐다.울산과학기술원(UNIST) 김건태 교수 연구팀은 이산화탄소와 메탄을 반응시켜 친환경 연료인 수소를 생산하는 '메탄 건식 개질 반응용 촉매'를 개발했다. 이 촉매는 합금 나노 입자에 코발트, 니켈, 철 등 3개 금속 원소가 섞여 있어 기존 촉매보다 메탄 분해 반응을 촉진한다.

단상 촉매에 비해 84.8% 많은 메탄 분자를 변환할 수 있고, 750도에서 350시간 동안 잘 작동하는 안전성을 갖는다. 촉매 내부의 금속 원소가 반응을 반복하면 표면으로 솟아 오르는 용출 현상을 이용한 것으로, 표면이 새로운 금속 나노입자로 재생되면서 촉매 성능을 더 오래 유지하게 한다.

특히 니켈이나 코발트 금속을 용출시키면 두 금속이 나노입자 합금을 만들어 더 좋은 성능을 갖게 한다고 연구팀은 설명했다.이 연구결과는 국제 학술지 '앙게반테 케미(지난달 7일자)' 온라인판에 실렸다.

이준기기자 bongchu@