에기연 "이산화탄소를 '친환경 연료'로 탈바꿈할 신촉매 개발"

이산화탄소(CO2)를 친환경 연료로 탈바꿈하는 신촉매가 국내에서 개발됐다.

한국에너지기술연구원(에기연)은 수소연구단 구기영 박사 연구팀이 세계 최고 수준의 역수성가스전환반응용 촉매를 개발했다고 30일 밝혔다.

역수성가스전환반응은 이산화탄소를 수소(H2)와 반응기에서 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H2O)을 만드는 기술이다.

이 과정에서 생성한 일산화탄소는 남은 수소와 혼합해 합성가스로 전환돼 이퓨얼(E-Fuel) 등 합성연료 또는 메탄올의 원료로 활용할 수 있다는 점에서 역수성가스전환반응이 향후 친환경 연료 산업을 주도할 것으로 주목받는다.

이퓨얼은 재생에너지 기반의 전기로 생산한 수소와 공기 중 포집 이산화탄소 또는 바이오매스에서 나오는 이산화탄소를 이용해 만든 연료를 말한다. 기존 화석연료를 대체할 탄소중립 연료로도 부각된다.

실시간 적외선 분광 분석을 활용해 새롭게 개발한 촉매의 성능을 시험하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

역수성가스전환반응은 800도 이상의 고온에서 진행할 때 이산화탄소 전환율이 높다. 같은 이유로 다른 금속보다 열 안정성이 높은 니켈 기반의 촉매가 주로 사용된다.

하지만 니켈 기반의 촉매는 고온에 장시간 노출될 때 입자가 응집돼 촉매의 활성도가 떨어지고, 저온의 환경에서는 메탄 등 부산물이 생성돼 일산화탄소 생산성이 떨어지는 문제를 가졌다.

이 때문에 저온 환경에서도 높은 활성도를 가진 촉매를 개발, 공정비용을 낮추고 효율을 올리는 방향의 연구가 활발하게 진행된다.

연구팀도 이러한 연구 방향에서 상대적으로 저렴하고 풍부한 구리 기반의 촉매를 개발, 기존 촉매의 단점을 극복했다. 개발한 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매는 고온(400도) 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소를 1.7배 빠르게 그리고 1.5배 많이 생성하는 성능을 보였다.

특히 구리 기반의 촉매는 니켈 촉매와 달리 400도 이하의 저온에서 메탄 등 부산물 생성 없이 일산화탄소만 선택적으로 생산할 수 있다.

단 400도 환경에서 구리의 열 안정성이 낮아지는 것은 한계로 지목됐다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 층상 이중 수산화물 구조를 구현했다.

층상 이중 수산화물 구조는 얇은 금속층 사이에 물과 음이온이 끼어있는 샌드위치 형태로 금속 이온의 종류와 비율을 조절해 다양한 물리·화학적 특성을 만들 수 있다. 이 같은 원리에 착안한 연구팀은 철과 마그네슘을 혼합해 구리 입자 간 공간을 채움으로써 입자가 응집되는 것을 막아 열 안정성을 높였다.

연구팀이 개발한 촉매는 기존 상용 구리 촉매보다 일산화탄소 생성 속도를 1.7배 이상 빠르게 하고, 생성 수율은 1.5배 이상 높이는 성능을 나타냈다. 무엇보다 이 촉매는 저온에서도 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매보다 일산화탄소 생성 속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높은 것으로 확인됐다.

구 박사는 "저온의 이산화탄소 수소화 촉매 기술은 값싸고 풍부한 금속으로 일산화탄소를 고효율로 생산할 수 있는 혁신적 성과로 지속가능한 합성연료의 핵심 원료생산에 직접 활용될 수 있다"며 "연구팀은 새롭게 개발한 촉매 기술이 실제 산업 현장에 적용돼 탄소중립 실현과 지속가능한 합성연료 생산기술을 상용화하는 데 기여할 수 있도록 연구를 지속하겠다"고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr