국내 연구진이 메탄(Methane) 직접전환용 촉매 기술을 개발했다.
한국에너지기술연구원 김희연 박사 연구진은 메탄 간접전환 공정에 비해 단순하면서 경제성이 우수한 메탄 직접전환 공정의 효율을 극대화할 수 있는 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.
메탄 직접전환 공정은 30여년 전에 제안됐으나 기술 난도가 높고 반응경로가 불명확할 뿐만 아니라 대표적인 촉매가 제시되지 않아 국내 일부 대학을 중심으로 기초연구가 수행되는 수준에 머무르고 있다.
연구진은 메탄 직접전환 공정에 사용되는 촉매의 원자단위 설계기술과 촉매 조성 최적화 기술 등을 적용해 메탄 직접전환용 촉매의 성능 및 장기 안정성을 극대화하는 기술을 개발했다.
텅스텐 계열 촉매에 간단한 처리만으로 질소 성분을 도핑함으로써 부반응인 메탄 산화반응을 억제하는 동시에 생성물인 에틸렌(Ethylene)의 선택도를 향상시키는 기술을 개발하는데 성공했다.
기존 질소 도핑 기술은 특별히 설계된 장치를 사용해 고온‧고압 조건에서 암모니아(Ammonia)를 사용한 공정이 일반적이나 연구진은 촉매 제조과정에서 액체 상태의 피리딘을 일정 농도 첨가하는 것만으로 간단히 질소를 도핑한 것으로 알려졌다.
피리딘 첨가량 조절만으로 질소 도핑 농도를 변화시킬 수 있고 도핑된 질소 성분은 섭씨 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.
또 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착(CVD) 기술을 촉매 제조공정에 적용해 단원자 텅스텐 촉매를 합성하는데에도 성공했다.
합성된 단원자 촉매는 1nm가 채 되지 않는 크기로, 기존의 나노 촉매에 비해 질량당 활성이 100배 이상 우수한 것을 확인했다.
연구진은 메탄 직접전환 공정의 효율을 향상시키기 위한 최적화 연구를 병행하며 한계 수율인 30% 극복에 계속 도전하고 있다.
텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했으며 자체개발한 단원자 촉매는 메탄 직접전환 공정 외에 메탄 개질을 통한 수소 생산, 연료전지 및 수전해시스템, 광전기화학적 수소 생산 등 다양한 에너지시스템에 적용하기 위한 연구를 진행하고 있다.
김희연 책임연구원은 “메탄 직접전환용 촉매 기술은 탄소중립 뿐만 아니라 미래 에너지 핵심기술인 만큼 촉매연구에 지속적 투자가 필요하다”고 강조했다. (강윤화 선임기자)