한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 구기영 수소연구단 박사팀이 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 친환경 연료 핵심 원료로 탈바꿈하는 세계 최고 수준 역수성가스전환반응용 촉매를 개발했다고 30일 밝혔다.
역수성가스전환반응은 CO₂를 수소(H₂)와 반응기에서 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물을 만드는 기술이다. 생성된 CO는 남은 H₂와 혼합해 합성가스로 전환되며, '이퓨얼(E-Fuel)'과 같은 합성연료나 메탄올 원료로 활용할 수 있어 친환경 연료 산업을 이끌 기술로 주목받는다.
800도 이상 고온 환경에서 진행될 때 CO₂ 전환율이 높아 다른 금속에 비해 열 안정성이 높은 니켈 기반 촉매가 사용되는데, 니켈 촉매는 고온 장시간 노출시 입자가 응집돼 활성도가 떨어지고, 저온 환경에서는 메탄 등 부산물이 생성돼 CO 생산성이 떨어지는 문제가 있다.
연구진은 값싸고 풍부한 구리 기반 촉매를 개발, 기존 촉매 단점을 극복했다. 연구진의 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매는 400도 환경에서 상용 구리 촉매보다 CO를 1.7배 빠르게, 1.5배 많이 생성한다.
구리 기반 촉매는 니켈 촉매와 달리, 400도 이하 저온에서 메탄과 같은 부산물 생성 없이 CO만 선택적으로 생산할 수 있다. 다만 400도 환경에서 구리 열 안정성이 매우 낮아져 입자가 응집하고 촉매 안정성도 떨어진다.
이에 연구진은 얇은 금속층 사이에 물과 음이온이 끼어있는 층상 이중 수산화물 구조를 구현했다. 철·마그네슘을 혼합해 구리 입자 간 공간을 채워 입자 응집을 막고 열 안정성을 높였다.
개발 촉매는 400도에서 CO 수율 33.4%, 촉매 1g·1초 동안 223.7마이크로몰의 CO 생성 속도를 달성하고 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 이는 상용 구리 촉매 대비 CO 생성 속도를 1.7배 이상, 생성 수율은 1.5배 이상 높인 성과다. 또 저온에서 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 CO 생성 속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높아 세계 최고 수준을 나타냈다.
연구책임자 구기영 박사는 “앞으로 실제 산업 현장으로 확대 적용해 탄소중립 실현과 지속 가능한 합성연료 생산 기술 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 이어 가겠다”고 밝혔다.
연구성과는 '어플라이드 카탈리시스 B : 엔바이러멘탈 앤 에너지'에 지난 5월 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
