한국에너지기술연구원은 구기영 수소연구단 박사팀이 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 친환경 연료 핵심 원료로 탈바꿈하는 세계 최고 수준 역수성가스전환반응용 촉매를 개발하고 양산화 30일 밝혔다.
역수성가스전환반응은 이산화탄소를 수소(H₂)와 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H₂O)을 만드는 기술이다. 여기서 나온 일산화탄소는 남은 수소와 혼합해 합성가스로 전환시켜 이퓨얼(E-Fuel) 같은 합성연료나 메탄올 원료로 활용할 수 있다.
이퓨얼은 재생에너지 기반의 전기로 생산한 수소와 공기를 바이오매스 등에서 나오는 이산화탄소 등과 합성해 만든 연료다. 기존 화석연료를 대체할 수 있는 탄소중립 연료로 주목받고 있다.
역수성가스전환반응은 800도 이상의 고온 환경에서 주로 니켈 기반 촉매를 사용한다. 그러나 이 촉매는 고온에 장시간 노출될 경우 입자가 응집돼 활성도가 떨어지는 단점이 있다. 또 저온에서는 메탄 등의 부산물이 생성돼 일산화탄소 생산성이 떨어진다.
연구팀은 이를 해결할 방안으로 값싸고 공급이 쉬운 구리에 마그네슘과 철을 혼합한 산화물 촉매를 개발했다. 이 촉매는 400도의 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소 생성 속도는 1.7배 더 빠르고, 생성량은 1.5배 더 느는 장점이 있다.
구리 기반 촉매는 니켈 촉매와 달리, 400도 이하 저온에서 메탄과 같은 부산물 생성 없이 일산화탄소만 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 일산화탄소 수율 33.4%, 촉매 1g·1초 동안 223.7마이크로몰의 일산화탄소 생성 속도를 달성하고 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 이는 상용 구리 촉매 대비 일산화탄소 생성 속도를 1.7배 이상, 생성 수율은 1.5배 이상 높인 성과다. 또 저온에서 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 일산화탄소 생성 속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높아 세계 최고 수준을 나타냈다.
연구책임자인 구 박사는 "앞으로 실제 산업 현장으로 확대 적용해 탄소중립 실현과 지속 가능한 합성연료 생산 기술 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 이어 가겠다"고 밝혔다. 연구성과는 에너지·환경 촉매 분야 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 B : 엔바이러멘탈 앤 에너지'에 지난 5월 게재됐다.
강경주 기자 qurasoha@hankyung.com
