▲ (좌측부터)성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원

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 기여 할 것으로 기대된다. 

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 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.

연구팀은 니켈(Ni, 촉매역할을 하는 핵심물질)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 입자간 뭉침이나 표면에 탄소가 쌓이는 현상이 억제된다. 또 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성이 더 좋아진다.

제1저자인 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.

공동 제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “철 박막을 20회 반복해서 입혔을 때 촉매 단위 면적 당 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 촉매 보다 변환 효율이 2배 이상 뛰어난 것”이라며 “개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 기술 분야에 쓰일 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 한정우 포항공대 교수, 美 펜실베니아대 존 보스(John M. Vohs) 교수, 펜실베니아대 레이몬드 고티(Raymond J. Gorte) 교수도 함께 참여했다.

연구결과는 세계적 과학저널 사이언스(Science)의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 8월26일 온라인판에 게재됐다.

▲ 극대화된 이온 위치 교환 현상 모식도