'금속 삼합' 촉매가 온실가스를 수소로 만든다

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 온실가스로 수소를 만드는 촉매를 개발했다. 연구진은 수소가 더 빨리 만들어지게 하기 위해 최초로 '금속삼합'으로 촉매를 만들었다. 그결과 기존의 촉매보다 반응성이 84% 이상 향상됐으며 350시간 이상 성능이 유지됐다.

이번 개발한 촉매는 이산화탄소와 메탄을 없애면서 친환경 원료를 생산하는 1석2조의 기술이라고 연구진은 설명했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학부 김건태 교수팀이 합금 나노입자에 금속 원소 3개를 섞어 수소를 만들어내는 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.

이 촉매는 메탄과 이산화탄소를 화학 반응시켜 수소와 공업 원료인 일산화탄소를 생산해 낼 수 있다.

연구진이 개발한 촉매를 사용한 결과 촉매 1g으로 900도에서 초당 약 1.2x1000경 개의 메탄 분자를 변환했다. 연구진은 이는 한종류로 만든 촉매보다 약 84.8% 증가한 것이라고 설명했다. 또한 750도에서 약 350시간이 넘는 시간 동안 잘 작동하는 안정성을 보였다고 덧붙였다.

연구진이 개발한 촉매는 삼상 합금 나노입자가 촉매 표면에 돋아난 형태다. 합금 나노입자에 코발트, 니켈, 철 금속 원소 3개가 섞여 있어 기존 촉매보다 메탄 분해 반응을 더 잘 일어난다.

제1저자인 주상욱 연구원은 "합금 나노입자가 메탄의 화학결합을 더 느슨하게 만들어 분해를 촉진 한다"며 "이는 철이 첨가되면서 나타난 합금 나노입자의 전자 구조 변화때문"이라고 설명했다.

일반적으로 건식 메탈 개질 반응에는 니켈 금속 기반 촉매를 쓴다. 성능은 좋지만 고온에서 촉매 입자끼리 뭉치는 현상과 반응을 반복할수록 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이는 문제가 있다.

연구진이 개발한 촉매는 '스마트 자가재생 촉매'의 한 종류다. 촉매 입자 내부의 금속 원소가 반응을 반복하면 표면으로 솟아오르는 용출 현상을 이용하는 촉매다. 표면이 새로운 금속 나노 입자로 재생되면서 촉매 성능을 오래 유지 할 수 있다. 특히 니켈 또는 코발트 금속을 용출 시키면 이 둘이 나노 입자 합금을 만들어 성능이 뛰어나다.

이번 연구에서는 촉매 입자 표면에 철을 얇게 입혀 니켈과 코발트 금속을 표면으로 더 잘 올라오게 만들었다. 또 용출된 니켈, 코발트 입자가 철과 섞여 새로운 삼상 합금이 형성돼 성능이 더 좋아졌다. 삼상 합금이 발견 된 것은 최초다.

오진경 연구원은 "새로 개발한 방법을 이용해 삼상 촉매를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 단위 면적 당 약 200개가 넘는 합금 나노 촉매 입자를 만들어 건식 개질 촉매 반응성을 높일 수 있었다"고 전했다.

김건태 교수는 "메탄 건식 개질 반응을 통해 안정적으로 합성가스와 수소를 생산하려면 촉매의 활성과 안정성이 뒷받침돼야 한다"며 "두 가지 조건을 동시에 만족하는 촉매 물질을 개발한 이번 연구는 메탄 건식 개질 상용화에 기여할 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 포항공대 화학공학과 한정우 교수도 함께 참여했다.

연구결과는 화학분야 세계적 권위지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 5월 7일일자로 온라인 공개돼 정식출판을 앞두고 있다.

[e-mail] 김만기 기자