▲ 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김건태 교수 연구팀이 온실가스인 메탄과 이산화탄소로 수소와 일산화탄소를 만드는 반응에 쓰이는 촉매의 성능과 안정성을 강화할 방법을 개발했다. (좌측부터) 성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원

[기계신문] 온실가스인 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 고부가가치 수소(H₂)로 바꿔주는 새로운 나노 촉매가 개발됐다. 이 촉매는 기존의 전극 촉매보다 메탄-수소 변환 효율이 2배 이상 뛰어나 다양한 에너지 변환 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김건태 교수 연구팀이 온실가스인 메탄과 이산화탄소로 수소와 일산화탄소(CO)를 만드는 반응(메탄 건식 개질 반응)에 쓰이는 촉매의 성능과 안정성을 강화할 방법을 개발했다.

메탄 건식 개질 반응에는 니켈(Ni) 금속 복합체 촉매가 주로 쓰였다. 하지만 이 촉매는 오래 쓸 경우 성능이 떨어지고 수명도 짧다. 고온에서 촉매끼리 뭉치거나 반응이 반복되면 촉매 표면에 탄소가 쌓이기 때문이다.

▲ 메탄 건식 개질 방식은 CH₄와 CO₂를 활용하여 수소 및 합성가스(H₂+CO)를 생산하는 방식으로, 생산되는 H₂/CO의 비율이 기존의 습식 개질 방식에 비해 높은 편이어서 유리하나, 아직 상용화에는 많은 제약이 있다.

연구팀은 니켈(Ni)이 표면으로 더 잘 올라오게 하는 방법을 고안해 문제를 해결했다. 철(Fe)을 복합체 촉매 표면에 얇게 입힌 것이다. 니켈은 복합체 밖으로 나가려는 성질이 강하고 철은 안으로 들어가려는 성질이 강해 두 물질이 자리를 바꾸게 되는 원리다.

새롭게 올라온 니켈 때문에 입자 간 뭉침이나 표면에 탄소가 쌓이는 현상이 억제된다. 또, 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성이 더 좋아진다.

▲ 극대화된 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 모식도. (A)는 기존 스마트 촉매의 자가 재생(exsolution) 과정이고, (B)는 이온 위치 교환 현상을 이용한 스마트 촉매 자가 재생 과정인데, (B)의 경우 외부에 균일하고 미세하게 원자층 증착된 철 막(layer)이 자리 교체 용출 현상을 더욱 촉진한다.

주상욱 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “균일하고 미세한 철 박막을 입힐 수 있는 기술(원자층 증착법)을 이용해 ‘자리교체 용출 현상’을 촉진시켰다”고 설명했다.

성아림 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “철 박막을 20회 반복해 입혔을 때 촉매 단위 면적당 약 400개가 넘는 나노 입자(철-니켈 합금)가 생겼고, 이 입자들은 니켈과 철로 이뤄져 촉매 반응성이 높다”고 설명했다.

새로운 나노 촉매를 사용한 메탄변환 성능은 700℃에서 70% 이상의 높은 변환효율을 보였고, 안정성에서도 400시간 이상을 유지한 결과를 보였다.

김건태 교수는 “이는 기존 전극 촉매보다 변환 효율이 2배 이상 뛰어난 것”이라며 “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 기술 분야에 쓰일 것으로 기대한다”고 밝혔다.

▲ 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 투과전자현미경(TEM) 분석 결과. (A, B) TEM 분석결과 니켈(Ni)이 표면으로 올라오고, 철(Fe)이 내부로 들어간 걸 확인했다. EDS 분석결과, 표면에 올라온 입자는 니켈-철(Ni-Fe) 합금임을 확인했다. (C-E) 이 현상들을 더 자세히 분석하기 위해 HR-TEM 분석결과 철이 페로브스카이트 구조 격자에 위치함을 확인했다.

건식 메탄 개질에서 가장 중요한 부분은 재료의 활성도는 유지하면서 안정한 촉매 물질의 개발이다. 원자층 증착법을 통한 자리교체 용출 현상을 이용하면 기존 촉매에 비해 활성은 뛰어나면서도 안정성도 유지되는 촉매를 쉽게 합성할 수 있다.

특히 기존의 용리 현상에 비해 약 6배 이상의 많은 나노 촉매를 생성할 수 있고, 선택적인 합금 나노 촉매를 만들 수 있음과 동시에 빠른 확산이 장점인 원자층 증착의 장점을 통해 나노 촉매의 빠른 생성 또한 가능하다.

새로운 나노 촉매 합성법의 발견은 메탄 건식 개질뿐만 아니라 고체 산화물 연료전지, 저온 전기화학 반응 등 대부분의 에너지 변환 기술 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구에는 한정우 포항공대 교수, 美 펜실베니아대 존 보스(John M. Vohs) 교수, 펜실베니아대 레이몬드 고티(Raymond J. Gorte) 교수도 함께 참여했다. 연구 결과는 국제 과학저널 사이언스(Science)의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 8월 26일(수) 온라인판에 게재됐다.

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