- 에너지硏, 나노촉매 자동화 합성 기술 실증 성공

연구진이 개발한 촉매를 들어보이고 있다.[한국에너지기술연구원 제공]
연구진이 개발한 촉매를 들어보이고 있다.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 온실가스를 수소나 일산화탄소 등 유용한 합성가스로 빠르고 안정적으로 처리 가능한 고성능 나노촉매를 개발했다.

한국에너지기술연구원 박지찬·김병현 박사 연구팀은 메탄 건식개질 반응에서 일반 니켈 촉매보다 합성가스 생산성이 2배 높고, 안정성은 16배 향상된 세슘(Cs)-니켈(Ni) 복합촉매를 개발했다. 연구진이 개발한 촉매는 자동화 촉매 합성장치를 활용해 저가로 만들 수 있게 설계했으며, 대량제조 시에도 동일한 성능을 유지하는 높은 재현성까지 갖췄다.

메탄의 건식개질 반응은 지금까지 고온에서 반응 안정성 문제로 상용화에 많은 어려움을 가지고 있었다. 고온에서는 활성 금속 촉매 입자가 서로 엉기어 굳는 소결(sintering)이 일어나고, 많은 온실가스들이 빠른 속도로 공급되면 부반응으로 촉매 입자 표면에 탄소가 급격히 쌓이는 침적(coking) 현상이 일어나 반응이 중단되는 문제가 있다.

연구진은 자동화 촉매 합성장치를 이용해 세슘이 고르게 도핑된 니켈 나노입자를 기공이 잘 발달된 알루미늄 산화물 지지체에 30wt%의 높은 함량으로 담지한 나노촉매를 개발했다. 특히 얻어진 세슘-니켈 입자 복합 담지 촉매는 높은 니켈 함량에도 불구하고 고른 입자 분포를 가지고 있었고, 크기도 5 나노미터(nm) 수준으로 매우 작아 메탄 건식 개질 반응에서 우수한 특성을 보였다.

연구진은 자동화 합성장치에 니켈과 세슘이 포함된 두 종류의 금속염을 투입하고 알루미나 지지체에 용융 함침시켜 촉매를 만들었다. 이는 일반적인 습식 기반 촉매 합성법보다 훨씬 작고 균일한 활성 입자 성분의 분포를 가지는 특성을 보였으며, 이를 통해 다중의 금속염을 원료로 하는 복잡하고 정교한 디자인 촉매 제작이 가능하다는 것을 입증했다.

최근 개발되고 있는 밀키트 자동요리 로봇처럼 연구진이 개발한 장치도 금속염을 투입하면 숙성-함침-분해-환원 등의 절차를 자동으로 진행해 비전문가도 쉽고 편리하게 촉매 합성이 가능한 것이다.

개발한 촉매는 합성 시에 알칼리성 세슘 금속의 최적 도핑으로 인해 활성 입자 표면에 전자를 풍부하게 만들어 건식 개질 반응 중 탄소 침적현상 진행을 더디게 만들었다. 특히 기존과 차별화된 용융 함침 기반 자동화 합성 공정을 통해 만든 균일한 촉매에서 그 효과가 극대화됨을 확인했다.

이번 연구결과가 게재된 재료·에너지 분야 우수 국제 학술지 ‘재료화학 저널 A’ 1월호 표지.[한국에너지기술연구원 제공]
이번 연구결과가 게재된 재료·에너지 분야 우수 국제 학술지 ‘재료화학 저널 A’ 1월호 표지.[한국에너지기술연구원 제공]

특히 일반 니켈 촉매보다 고 유속의 반응 조건에서 2배 가까이 향상된 합성가스 생산성을 보였으며, 코킹현상 또한 1/16 수준으로 감소해 높은 안정성을 입증했다. 또한 복잡한 촉매 합성 공정이나 비싼 귀금속 전구체 사용 없이 자동화 촉매 합성 기술로 높은 안전성을 가지는 고성능의 촉매를 쉽고 빠르게 합성할 수 있어 높은 경제성을 증명했다.

박지찬 박사는 “이번 연구 결과가 온실가스를 대량으로 처리하기 위한 메탄 건식개질 반응에 필요한 촉매들을 신뢰성이 확보된 자동화 촉매 합성 시스템을 통해 우수한 성능으로 구현했다는 점에서 가치가 있다”며 “향후 기술의 고도화로 현재 한계에 부딪히고 있는 여러 촉매 반응에 필요한 촉매들의 자동화와 디지털화된 제조법 확장에 더욱 노력할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 재료·에너지 분야 우수 국제 학술지인 ‘재료화학 저널 A’ 중요 논문과 저널 10주년 기념 1월호 표지논문으로 선정됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com