▲ 용출된 백금-루테늄 합금 나노입자를 갖는 고성능 디젤 개질 촉매의 모식도 및 상용 디젤 개질 반응에 대한 촉매의 장기 내구성 검증 실험 결과

국내 연구진이 상용 디젤로 수소를 생산할 수 있는 개질 촉매를 개발에 성공해 향후 모바일 연료전지 시스템 등 활용이 기대되고 있다.

KAIST는 기계공학과 배중면 교수, 이강택 교수와 한국에너지기술연구원(KIER) 이찬우 박사 공동 연구팀이 상용 디젤로부터 수소 생산이 가능한 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.

연료 개질은 탄화수소로부터 촉매 반응을 통해 수소를 추출하는 생산 기술이다. 액체 연료인 디젤은 수소 저장 밀도가 높고 운반과 저장이 쉬워 디젤 개질을 통한 수소 공급 장치를 헤비트럭의 보조전원장치, 잠수함의 공기불요추진체계 등 모바일 연료전지 시스템에 적용하는 연구가 지속돼왔다.

그러나 디젤은 고 탄화수소의 혼합물로 긴 사슬 구조의 파라핀, 이중 결합을 갖는 올레핀, 벤젠 고리 구조를 갖는 방향족 탄화수소를 포함하고 있다. 또, 촉매 성능 저하 요인인 코킹 및 열 소결에 대해 강한 내구성을 갖는 촉매가 요구돼 활용에 어려움을 겪어왔다.

연구팀은 용출(산화물 지지체에 이온 형태로 고용시킨 활금속을 열처리를 통해 금속나노입자 형태로 지지체 상에 고르게 성장시키는 방법) 현상을 통해 합금 나노입자를 형성하도록 촉매를 설계해 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매를 개발했다. 용출된 금속 나노입자는 지지체와 강한 상호작용을 갖는 특성이 있어 고온에서 높은 분산도를 유지하고, 이종 금속 간 합금을 형성해 상승효과로 촉매 성능 향상을 노릴 수 있다.

연구팀은 산화환원반응 촉매의 지지체로 흔히 쓰이는 세리아(CeO2)의 격자 내 백금(Pt)과 루테늄(Ru)을 미량 침투시킨 다성분계 촉매를 제조하기 위해 용액 연소 합성법을 도입했다. 이 촉매는 디젤 개질 반응 환경에 노출되었을 때 백금과 루테늄이 지지체 표면으로 용출된 후 백금-루테늄 합금 나노입자를 형성한다.

연구팀은 촉매 분석뿐만 아니라 밀도범함수 이론 계산을 통해 활금속의 용출 및 합금 형성에 대한 거동을 에너지적 관점에서 규명했다. 백금-루테늄 합금 촉매를 사용 기존 단일 금속 촉매와 개질 성능 비교 결과, 개질 활성도가 향상돼 저온(600(℃, 기존 800oC)에서도 100%의 연료전환율을 보였으며, 장기 내구성 평가(800(℃, 200시간)에서 성능 열화없이 안정적으로 상용 디젤로부터 수소를 생산했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 기계공학과 이재명 박사과정이 제1저자로, 에기연 연창호 박사과정, 기계공학과 오지우 박사, 에기연 한광우 박사, 기계공학과 유정도 박사, 기초과학지원연구원 윤형중 박사가 공저자로 참여했고, 에기연 이찬우 박사, 기계공학과 이강택 교수, 배중면 교수가 교신저자로 참여했으며 환경·재료·화학 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈’에 6월 17일字 온라인에 게재됐다.

▲ (왼쪽부터) 기계공학과 배중면 교수, 이강택 교수, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사