메탄 자원화 길 열렸다…고효율 메탄올 전환 촉매 개발 성공

전기화학적 상온 메탄-메탄올 전환 개념도. (문준혁 교수 제공)

온실가스 주범인 메탄을 줄일 수 있는 효과적인 해결책이 제시돼 주목된다.

한국연구재단은 문준혁 고려대 교수 연구팀이 이산화이리듐(IrO2) 촉매를 이용해 상온에서 메탄을 메탄올로 선택적으로 전환하는 전기화학 반응 메커니즘을 실험적으로 규명하고, 이를 구현할 수 있는 고성능 반응 시스템을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 전기화학 반응 중 탄산 이온이 이산화이리듐 촉매 특정 결정면에서 반응성이 높은 산소(고활성 산소종)를 형성하고, 이 산소종이 메탄의 선택적 산화를 유도해 메탄올로 전환되는 반응 경로를 규명했다.

또 메탄을 기체로 공급하며 반응시킬 수 있는 연속 공정형 전기화학 장치를 자체 제작했다. 이 반응기는 메탄과 전해질이 촉매와 전해질 계면에 효과적으로 공급되도록 구성됐으며, 이를 통해 반응물 전달 저항을 최소화했다.

최적화된 전기화학 반응 조건에서 메탄올 생산 속도는 기존 대비 10배 빠른 약 10mmol을 달성했다. 100시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하 없이 작동하는 것 또한 확인했다.

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

이번 연구성과는 온실가스인 메탄을 상온에서 메탄올로 전환할 수 있는 기술적 기반을 마련했다는 점에서 의의가 있다.

문준혁 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 연구성과는 촉매 및 탄소자원화 분야 국제학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 지난 4일 게재됐다.

이인희 기자 leeih@etnews.com