화학硏, 청정수소 생산 용융금속 촉매 기술 개발

셀레늄 포함 용융금속 촉매 활용, '메탄 → 수소' 전환율 최대 36.3% 향상

한국화학연구원 한승주 박사 연구팀이 셀레늄(Se)을 첨가한 용융금속 촉매(NiBi, CuBi)를 활용해 청록수소 생산 효율을 향상시키는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

청록수소는 메탄(CH4) 열분해를 통해 생성되고 탄소를 배출하지 않는다. 대량생산이 가능하지만, 이산화탄소 배출이 많은 회색수소나, 탄소 배출이 없지만, 고비용으로 상업적 적용에 한계가 있는 녹색수소의 중간단계 수소다.

사진 왼쪽 아래부터 시계 방향으로 1저자 손주호 학생연구원, 교신저자 한승주 선임연구원, 공동저자 이동현 학생연구원, 박경아 연구원. 한국화학연구원 제공

메탄 열분해 과정에서 생성된 고체탄소는 그래파이트나 카본블랙의 형태로 산업적 활용이 가능해 탄소를 별도로 저장하거나 처분할 필요 없이 경제적으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

글로벌 시장조사 업체 VMR(Verified market reports)는 지난해 12월 발간한 보고서를 통해 청록 수소 생산 기술 관련 세계 시장 규모는 2023년 약 168억 달러에서 연평균 5.3% 성장해 2030년 약 228억 달러에 이를 것으로 전망했다. 청정에너지에 대한 글로벌 수요 증가, 탈탄소화 노력 등으로 청록 수소 기술의 중요성은 날로 커지는 추세다.

그러나 메탄 열분해 방식은 높은 온도가 필요하고, 고체촉매 활용 시 촉매 표면에 탄소가 침적돼 비활성화가 빠르게 일어나는 문제가 단점이었다.

연구팀은 기존 촉매의 단점 극복을 위해 촉매 활성과 기포 제어 성능을 개선한 셀레늄이 포함된 3성분계 용융금속 촉매를 개발했다. 기존 고체촉매 대신 액체 상태의 용융 금속촉매를 사용함으로써 메탄 열분해 과정에서 생성되는 탄소를 쉽게 분리할 수 있어 장시간 안정적 반응을 유지할 수 있다.

메탄으로부터 고순도 수소 및 고부가 탄소를 동시에 생산하는 CO2-free 기술. 한국화학연구원 제공

반응 물질의 촉매 내 체류시간이 길어지면서 수소 생산성이 증대됐고, 셀레늄이 촉매가 작동하는 활성화 에너지를 감소시켜 니켈의 표면 노출을 촉진하는 등 니켈 활성점의 메탄 전환 효율도 개선됐다.

셀레늄이 포함된 3성분계 촉매(NiBiSe, CuBiSe)는 기존 촉매보다 메탄에서 수소로 바뀌는 전환율을 각각 36.3%, 20.5% 향상시켰다. 특히 니켈?비스무스-셀레늄(NiBiSe) 촉매는 100시간 이상의 오랜 반응에서도 성능저하 없이 안정적으로 작동했다.

한승주 박사는 "이번 연구는 기존 청록수소 생산 기술의 한계점을 극복하며, 탄소중립 실현에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다"고 밝혔다. 이영국 화학연 원장도 "상용화를 목표로 한 이번 기술은 탄소 배출 없는 청록수소 생산의 핵심 기술로 자리매김할 것"이라고 강조했다.

이번 연구 결과를 담은 논문은 지난해 12월 재료·화학 분야 국제 학술지 'Applied Catalysis B: Environmental and Energy(IF=20.3)'에 게재됐다. 한승주 화학연 박사와 서정철 한국생산기술연구원 박사가 교신저자로, 화학연·연세대 손주호 연구생이 1저자로 참여했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr