에기연 "온실가스로 합성가스 생산 '新촉매' 개발"

지구온난화의 주범인 온실가스로 합성가스를 생산하는 새로운 촉매가 국내에서 개발됐다.

한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 고온수전해연구실 김희연·최윤석 박사 연구팀이 서울대 재료공학과 정우철 교수 연구팀과 공동연구를 진행해 '건식 개질 반응' 촉매를 개량해 자가생성촉매를 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

(왼쪽부터) 에기연 김소정 연구원·최윤석 선임연구원·김희연 책임연구원, 서울대 남성우 박사·정우철 교수. 한국에너지기술연구원 제공

건식 개질 반응은 대표적 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 고온에서 반응시켜 합성가스를 생산하는 기술이다. 이 기술은 최근 탄화수소와 연계한 분산형 수소 생산과 고체 산화물 연료 전지 연계 발전시스템의 핵심 기술로 주목받는다.

건식 개질 반응에는 주로 저렴하면서 성능이 우수한 니켈(Ni) 촉매가 사용된다. 하지만 니켈은 반응 과정에서 탄소가 촉매 표면에 쌓여 성능이 급격히 저하되는 문제를 보인다. 이러한 탄소 침적 현상은 장기 운전과 상용화에 걸림돌로 작용해 새로운 촉매 설계와 운전 조건 최적화 기술에 관한 연구도 활발하게 진행되는 중이다.

페로브스카이트 구조의 산화물을 활용한 자가생성촉매 기술은 니켈을 대신할 촉매로 주목받는다. 자가생성촉매는 금속이 지지체 내부에 존재하다가 반응 조건이 갖춰지면 표면으로 빠져나와 반응 활성점을 형성하도록 하는 기술이다. 빠져나온 금속 입자는 지지체와 강하게 결합하고, 탄소 침적을 효과적으로 억제할 수 있어 장기간 운전에도 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.

이를 활용해 공동연구팀은 원자 간 결합력을 최적의 조건으로 조정, 고온의 건질 개질 반응 조건에서도 안정적으로 작동하는 자가생성촉매를 개발했다.

통상 자가생성촉매는 내부 금속 원소가 표면으로 쉽게 이동할수록 반응 속도가 빨라진다. 하지만 연구에 사용된 란타늄망간화합물(LaMnO3)계 페로브스카이트 산화물 지지체는 원자 간 결합이 강해 내부 금속 입자가 빠져나오기 어려웠다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 산화물 지지체 안에 란타늄(La3+)을 칼슘(Ca2+)으로 치환해 원자 간 결합력을 낮추고 많은 양의 니켈이 촉매 표면으로 이동할 수 있게 설계했다. 또 칼슘 치환량의 최적 범위를 도출해 탄소 침적의 저항성과 개질 반응 활성도를 지니면서 안정적으로 작동하는 자가생성촉매를 개발하는 데 성공했다.

공동연구팀이 개발한 촉매와 기존 촉매를 비교했을 때 동일한 수준의 합성가스 생산에 필요한 니켈양은 기존의 3% 수준으로 줄어든 것으로 확인됐다. 무엇보다 기존 촉매는 연속 운전 시 점차 성능이 저하되지만, 새로 개발한 촉매는 800도의 고온 조건에서 장기 운전(500시간)을 해도 높은 전환 효율을 유지했고 탄소 침적 현상도 전혀 관찰되지 않아 내구성이 입증됐다.

김희연 박사는 "자가생성촉매 기술은 기존의 니켈 촉매가 가진 탄소 침적 문제를 효과적으로 해결하는 동시에 원료비용과 공정비용 부담을 크게 줄이는 데 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 에기연 기본사업과 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과(논문)는 최근 '미국 화학회 촉매 학술지(ACS Catalysis)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr