KAIST, 상용 디젤서 수소 안정적 생산 가능한 개질 촉매 개발

김양수 입력 2022. 8. 16. 16:33
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KAIST는 기계공학과 배중면·이강택 교수와 한국에너지기술연구원(KIER) 이찬우 박사가 공동연구를 통해 상용 디젤로부터 수소 생산이 가능한 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.

이어 연구팀은 백금-루테늄 합금 촉매를 사용해 기존 단일 금속 촉매와 개질 성능을 비교한 결과, 개질 활성도가 향상돼 기존 800도보다 저온인 600도에서도 100%의 연료전환율을 확보했으며 장기 내구성 평가(800도, 200시간)에서 성능 열화없이 안정적으로 상용 디젤로부터 수소를 생산하는 데 성공했다.

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기사내용 요약
에너지연구원과 함께 고활성·고내구성 디젤 개질 촉매 개발
백금-루테늄 합금 촉매로 기존 대비 저온에서도 100% 연료전환율 확보

[대전=뉴시스] 용출된 백금-루테늄 합금 나노입자를 갖는 고성능 디젤 개질 촉매 모식도 및 상용 디젤 개질 반응에 대한 촉매의 장기 내구성 검증 실험 결과. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 기계공학과 배중면·이강택 교수와 한국에너지기술연구원(KIER) 이찬우 박사가 공동연구를 통해 상용 디젤로부터 수소 생산이 가능한 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.

연료 개질(fuel reforming)은 탄화수소로부터 촉매반응을 통해 수소를 추출하는 수소생산 기술이다. 액체 연료인 디젤은 수소 저장 밀도가 높고 운반과 저장이 쉽다는 장점이 있다.

하지만 디젤은 탄화수소를 효과적으로 분해하기 위해 높은 활성도의 촉매가 요구되고 촉매의 성능 저하 요인인 코킹 및 열 소결에 대해 강한 내구성을 갖는 촉매가 필요해 디젤 개질 기술 활용에 어려움이 있다.

이번에 공동연구팀은 용출(활금속을 열처리를 통해 금속나노입자 형태로 지지체 상에 고르게 성장시키는 방법) 현상을 활용, 합금 나노입자를 형성토록 촉매를 설계해 고활성·고내구성 디젤 개질 촉매를 개발하는 데 성공했다.

용출된 금속 나노입자는 지지체와 강한 상호작용을 갖는 특성이 있어 고온에서 높은 분산도를 유지할 수 있고 이종 금속 간 합금을 형성해 상승효과로 촉매 성능 향상을 노릴 수 있다고 연구팀은 설명했다.

또 연구팀은 산화환원반응 촉매의 지지체로 흔히 쓰이는 세리아(CeO2)의 격자 내 백금(Pt)과 루테늄(Ru)을 미량 첨가시킨 다성분계 촉매를 제조키 위해 용액 연소 합성법을 도입했다.

이 촉매는 디젤 개질 반응환경에 노출됐을 때 백금과 루테늄이 지지체 표면으로 용출된 후 백금-루테늄 합금 나노입자를 형성한다.

이어 연구팀은 백금-루테늄 합금 촉매를 사용해 기존 단일 금속 촉매와 개질 성능을 비교한 결과, 개질 활성도가 향상돼 기존 800도보다 저온인 600도에서도 100%의 연료전환율을 확보했으며 장기 내구성 평가(800도, 200시간)에서 성능 열화없이 안정적으로 상용 디젤로부터 수소를 생산하는 데 성공했다.

이번 연구는 환경·재료·화학 분야 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비:인바이러멘탈(Applied Catalysis B:Environmental)'에 지난 6월 17일자 온라인판에 게재됐다(논문명: Highly Active and Stable Catalyst with Exsolved PtRu Alloy Nanoparticles for Hydrogen Production via Commercial Diesel Reforming).

배중면 교수는 "상용 디젤로부터 수소를 안정적으로 생산할 수 있다는 점에서 초기 수소경제사회에서 모바일 연료전지 시스템의 활용성 제고에 크게 이바지할 것으로 기대된다"면서 "촉매 설계에 대한 접근법은 개질 반응뿐만 아니라 다양한 분야에서 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com

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