김희연 박사팀, 단원자 촉매 합성 성공

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 김희연 에너지소재연구실 박사팀이 '메탄 직접전환공정' 촉매기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 메탄 직접전환공정은 높은 기술 난이도와 불명확한 반응경로로 난항을 겪었다. 이번 기술개발로 30년 난제였던 직접전환공정 효율을 극대화할 것으로 기대된다.

메탄(CH4)은 이산화탄소(CO2)에 비해 방출량은 200분의 1이지만 지구 온난화지수는 25배 높다. 또 에틸렌 생산 공정이 상용화된 에탄과 달리 메탄은 현재 난방 연료나 발전 외 활용 범위가 넓지 않다. 

메탄의 에너지 전환 시도가 있었지만 쉽지 않았다.  메탄에서 부분산화된 일산화탄소를 다른 고부가 화학제품으로 만드는 간접전환 공정은  에너지 소모와 투자비용이 높고 효율이 낮았다. 

직접전환기술인 메탄산화이량화(OCM·Oxidative Coupling of Methane)는 메탄을 산소와 반응시켜 에틸렌 등으로 전환한다. OCM은 메탄을 활성화시키기 위해 약 800도 이상의 높은 반응 온도가 필요하고 발열에 의해 촉매가 비활성화된다. 열역학적으로 메탄이 일산화탄소나 이산화탄소 등으로 산화되는 경로를 선호해 에틸렌 수율을 높이기도 쉽지 않다.
 

메탄산화이량화 촉매반응 시스템  장비 [사진= 한국에너지기술연구원 제공]
연구팀이 간단한 처리로 텅스텐 계열 촉매에 질소성분을 도핑해 메탄 산화반응을 억제하고 생성물인 에틸렌 선택도를 향상시켜 이를 해결했다.

기존 질소 도핑 기술은 특별히 설계된 장치를 이용해 고온, 고압 조건에서 암모니아를 사용한다. 반면 연구팀은 촉매 제조 과정 중 액체 상태 피리딘을 일정 농도 첨가해 간단하게 도핑했다. 이렇게 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지됐다.

또한 연구팀은 반도체 공정에서 무결점 박막을 제조하는데 사용하는 화학기상증착법(Chmeical  Vapor Deposition)을 촉매 제조 공정에 적용했다. 촉매 반응에서는 촉매 표면 결점이 반응활성점으로 작용하기 때문이다. 화학기상증착을 결점을 최대로 가진 촉매 입자에 응용하면서 단원자 규모의 텅스텐 촉매 합성에 성공했다. 합성된 촉매는 1nm가 채 되지 않는 크기로 메탄산이량화 반응에서 기존 나노 촉매에 비해 질량당 활성이 100배 이상 우수했다.

 

한국에너지기술연구원이 개발한 단원자 촉매 [사진=한국에너지기술연구원 제공]
김희연 박사팀이 개발한 단원자 촉매 [사진=한국에너지기술연구원 제공]
김희연 박사팀이 개발한 텅스텐 촉매 [사진=한국에너지기술연구원 제공]
김희연 박사팀이 개발한 텅스텐 촉매 [사진=한국에너지기술연구원 제공]
연구팀은 자체개발한 단원자 촉매를 직접전환 공정 이외에 수소생산, 연료전지 등 여러 에너지시스템에 적용하는 연구를 진행 중이다.

김희연 에너지소재연구실 책임연구원은 "지난 25년 간 수행한 촉매연구 중 메탄 직접 전환 공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나였다"며 "당장 결과가 보이는 상업성 높은 연구도 중요하겠으나 메탄 직접전환용 촉매기술은 탄소중립뿐만 아니라 미래의 에너지 상황에 대비하기 위한 핵심 기술로써 그 중요성이 크므로 촉매연구에 지속적 투자가 필요하다"고 말했다.

이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업과 과학기술통신부 한국연구재단 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행 중이다. 연구진은 '메탄 전환공정용 촉매에 질소 도핑 기술' 특허를 국내 등록과 미국 출원을 완료했다.

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