[기계신문] 현재 산업적, 환경적, 에너지 분야에서 주요 이슈가 되고 있는 것은 천연가스에 풍부한 메탄을 이용하여 자원화하는 것이다. 천연가스 성분의 88%를 차지하는 메탄은 매장량에 비해 난방용, 수용용 연료 외에는 활용가치가 뛰어나지 않아 이를 이용한 기술은 대단히 중요한 가치를 지닌다.
그럼에도 불구하고, 메탄의 4개의 강한 탄소-수소 결합은 메탄을 유용한 화학물질로 전환하는데 큰 장벽이다. 특히 완전산화반응에 의한 이산화탄소의 생성을 피하고 고부가가치의 화학물질을 생성하기 위한 메탄의 부분산화반응은 굉장히 중요한데 여전히 도전적인 과제로 남아있다.
포름알데히드는 기능성 고분자, 살균제, 방부제 등의 원료로 광범위하게 이용된다. 메탄으로부터 포름알데히드를 생성하기 위해서는 강한 탄소-수소 결합을 끊기 위해 600℃ 이상의 온도를 필요로 하며, 포름알데히드를 생성하기 위한 최적의 촉매는 산화바나듐(V2O5)과 산화몰리브덴(MoO3)으로 알려져 있다.
그러나 포름알데히드는 일산화탄소와 물로, 또는 이산화탄소 및 물로 산화될 가능성이 높다. 이러한 이유로 메탄의 부분산화는 아직까지 도전적인 반응이며, 현재 문헌상에 알려진 메탄의 포름알데히드로의 전환율은 600℃ 온도에서 10% 미만이다.
따라서 고온에 안정적이며, 메탄을 부분 산화하여 생성되는 포름알데히드의 전환율을 증가시킬 수 있는 촉매의 개발이 시급한 실정이었다.
최근 국내에서 버려지는 천연가스를 고부가가치 물질로 전환시켜주는 고성능 촉매가 개발되었다. 울산과학기술원 에너지및화학공학부 안광진 교수 연구팀은 나노 물질로 이루어진 우수한 메탄 산화체 촉매를 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 메탄이 변환되는 높은 온도에서도 안정적으로 반응할 수 있는 촉매를 개발했다. 이로써 메탄에서 포름알데히드로 변환되는 효율은 기존 10% 미만에서 22% 이상으로 크게 향상되었다.
이번에 개발된 촉매는 얇은 알루미나 막에 둘러싸인 산화바나듐 나노입자로 이루어진 코어-쉘(core-shell) 형태를 가지고 있어, 내부 촉매 나노입자의 응집 및 구조적인 변형을 효과적으로 막아주어 600℃ 이상의 고온 촉매반응에서 열적 안정성이 우수하며 촉매반응성이 안정하게 유지되는 효과가 있다. 코어-쉘은 알맹이와 이를 감싸는 껍데기로 이루어진 구조로 껍데기가 알맹이를 보호해주면서 안전하게 유지시켜주는 역할을 한다.
수열합성방법으로 균일한 마이크로 실리카 입자 표면에 산화바나듐 나노입자를 붙인다. 이에 원자증착방법을 이용해서 얇은 알루미나 박막을 구형 입자에 입히는데, 이 알루미나는 산화바나듐을 고온 촉매반응에도 구조가 무너지지 않게 보호하는 역할을 하며, 바나듐에 알루미늄 원자의 결합을 유도하여, 촉매 물성을 향상시키는 역할도 같이 한다.
연구팀이 실행한 촉매 반응 테스트 결과, 알루미나 껍질이 없는 산화바나듐 나노입자는 고온 촉매 반응 후 그 구조가 망가지고, 촉매활성도 쉽게 잃지만, 알루미나 껍질이 생성된 코어-쉘 형태의 나노촉매는 우수한 고온 안정성과 촉매 반응성을 나타냈다.
기존 촉매물질은 촉매의 핵심작용을 하는 산화바나듐을 최대한 고르게 분산하여 고온 촉매 반응에서 입자들이 뭉치는 현상을 억제하는 데 주안점을 두었는데, 이번 연구에서는 나노입자 위에 원자층으로 껍질을 씌우는 새로운 구조를 통해 열적 안정성과 반응성을 동시에 향상시켰다.
메탄에서 포름알데히드로 변환시키는 기존의 촉매반응은 10% 미만의 낮은 반응성을 보이는데, 이번에 개발된 기술은 기존 한계를 뛰어넘어 22% 이상의 높은 효율을 갖는 안정한 메탄산화체 촉매 개발 기술로써, 천연가스 활용기술 분야에서 크게 적용될 수 있을 전망이다.
안광진 교수는 “이번 연구는 메탄이 가지는 안정한 화학구조로 인해 까다롭게만 여겨졌던 촉매반응기술에서 나노기술을 도입한 새로운 촉매개발성과로 메탄을 고부가가치의 화학물질로 변환하는 촉매공정의 효율과 안정성을 획기적으로 확장시킨 기술”이라며 ”풍부한 메탄자원을 활용하는 차대세 에너지기술로 가치가 높다”고 설명했다.
또한 ”향후 실험실 스케일의 성과를 크게 확장하여 산업적으로 구현할 수 있도록 촉매제조기술과 촉매공정프로세스를 확장할 계획“이라고 밝혔다.
한편, 메탄에서 포름알데히드로 변환시키는 촉매기술은 1987년에 미국에서 개발되어 특허로 등록된 이래 큰 진전이 없었던 고난이도 기술이었는데, 이번 연구를 통해 30년 만에 그 한계를 뛰어넘는 고효율 촉매기술이 개발되어, 앞으로 에너지 강국으로 발돋움할 수 있는 핵심 기술력을 확보하게 었다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 저널 오브 케탈리시스(Journal of Catalysis) 10월 19일자 논문으로 게재되었고 특허출원 되었다.