한국에너지기술연구원 구기영 수소연구단 박사팀이 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 친환경연료 핵심원료로 탈바꿈시키는 데 필요한 촉매를 개발했어요.
이때 쓰는 촉매를 역수성가스 전환 반응용 촉매라고 불러요. 한자어가 섞여있어 어렵게 느껴질 거예요. 풀어서 설명하자면 역수성가스 전환 반응(Reverse Water-Gas Shift reaction)은 수소화를 통해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 과정을 의미해요. 이산화탄소(CO₂)에 수소(H₂)를 더해 일산화탄소(CO)와 물(H₂O)로 바꾸는 과정(CO₂ + H₂ → CO + H₂O)이죠. 이때 바로 촉매가 필요하죠.
일반적으로 촉매로 니켈 기반 촉매가 쓰였는데 가격이 비싸고 성능이 떨어지는 문제가 있었죠. 우리 연구진은 니켈 기반 촉매를 값싼 구리 기반 촉매로 바꾸는 데 성공했어요. 비용 이상으로 중요 게 성능인데, 연구진은 세계 최고 수준까지 달성해낸 거죠.
앞에서 설명했듯이 역수성가스전환반응은 CO₂를 수소(H₂)와 반응기에서 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물을 만드는 기술이예요. 생성된 CO는 남은 H₂와 혼합해 합성가스로 전환되며, '이퓨얼(E-Fuel)'과 같은 합성연료나 메탄올 원료로 활용할 수 있어 친환경 연료 산업을 이끌 기술로 주목받아요.
섭씨 800도(℃) 이상 고온 환경에서 진행될 때 CO₂ 전환율이 높아 다른 금속에 비해 열 안정성이 높은 니켈 기반 촉매가 사용되는데, 니켈 촉매는 고온 장시간 노출시 입자가 응집돼 활성도가 떨어지고, 저온 환경에서는 메탄 등 부산물이 생성돼 CO 생산성이 떨어지는 문제가 있어요.
연구진은 값싸고 풍부한 구리 기반 촉매를 개발, 기존 촉매 단점을 극복했어요. 연구진의 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매는 400℃ 환경에서 상용 구리 촉매보다 CO를 1.7배 빠르게, 1.5배 많이 생생해내요.
구리 기반 촉매는 니켈 촉매와 달리, 400℃ 이하 저온에서 메탄과 같은 부산물 생성 없이 CO만 선택적으로 생산할 수 있어요. 다만 400℃ 환경에서 구리 열 안정성이 매우 낮아져 입자가 응집하고 촉매 안정성도 떨어지는 문제도 있죠.
연구진은 이 문제도 해결하기 위해 얇은 금속층 사이에 물과 음이온이 끼어있는 층상 이중 수산화물 구조를 구현했어요. 철·마그네슘을 혼합해 구리 입자 간 공간을 채워 입자 응집을 막고 열 안정성을 높인 거죠.
개발 촉매는 400℃에서 CO 수율 33.4%, 촉매 1g·1초 동안 223.7마이크로몰의 CO 생성 속도를 달성하고, 100시간 이상 안정적으로 작동했어요. 이는 상용 구리 촉매 대비 CO 생성 속도를 1.7배 이상, 생성 수율은 1.5배 이상 높인 성과예요. 또 저온에서 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 CO 생성 속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높아 세계 최고 수준을 나타냈어요.
연구책임자 구기영 박사는 “앞으로 실제 산업 현장으로 확대 적용해 탄소중립 실현과 지속 가능한 합성연료 생산 기술 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 이어 가겠다”고 밝혔어요.
최정훈 기자 jhchoi@etnews.com