'온실가스 주범' 메탄을 자원으로…10배 빠른 전환 촉매 개발

문준혁 고려대 교수 "이산화이리듐 촉매로 상온에서 전환 가능"

전기화학적 상온 메탄-메탄올 전환 개념 이미지(한국연구재단 제공) /뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 문준혁 고려대 교수 연구팀이 이산화이리듐(IrO2) 촉매를 이용해 상온에서 메탄을 메탄올로 선택적으로 전환하는 고성능 반응 시스템을 개발했다고 7일 한국연구재단이 밝혔다.

메탄은 천연가스의 주성분으로 자연에 풍부하게 존재하며, 이산화탄소 대비 약 25배에 달하는 온실효과를 유발하는 것으로 알려져 있다.

메탄을 메탄올로 전환하는 기술은 저장성과 수송 효율이 높고 연료로 직접 활용이 가능하단 점에서 산업적 가치가 크다. 그러나 메탄의 화학적 안정성 때문에 선택적 전환이 어려워 유용한 화합물로 전환하는 기술 개발이 어렵다.

재단에 따르면 김 교수 연구팀은 전기화학 반응 중 탄산 이온이 이산화이리듐 촉매의 특정 결정면에서 반응성이 높은 산소(고활성 산소종)를 만들고 이 산소종이 메탄의 선택적 산화를 유도해 메탄올로 전환되는 반응 경로를 규명했다.

연구팀은 또 메탄을 기체로 공급하며 반응시킬 수 있는 연속 공정형 전기화학 장치를 제작했다. 이 반응기는 메탄과 전해질이 촉매와 전해질 계면에 효과적으로 공급되도록 구성돼 반응물의 전달 저항을 최소화했다는 게 연구팀의 설명이다.

이렇게 최적화된 전기화학 반응 조건에서 메탄올 생산 속도는 기존 대비 10배 빨랐고, 100시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하 없이 작동하는 것을 확인할 수 있었다.

연구팀은 이 과정을 반응 과정 중 변화를 직접 관찰할 수 있는 실험 방법인 동위원소 표지 실험과 라만 분광법으로 입증했다.

문 교수는 "공정 전반에서 이산화탄소 배출이 적고 전기를 이용한 반응 방식이기 때문에 향후 수소 생산 기술과의 연계도 가능하다"며 "이를 바탕으로 탄소중립형 연료 및 화학소재 생산 공정으로의 확장이 기대된다"고 말했다.

이번 연구 성과는 촉매 및 탄소 자원화 분야 국제학술지 '네이처 카탈리시스'에도 게재됐다.

jongseo12@news1.kr