▲ 에너지기술연구원 연구진이 개발한 촉매를 들고 있다

국내 연구진이 안정성이 뛰어난 온실가스 고처리 나노촉매 자동화 합성 기술 실증에 성공해 경제성, 재현성, 신뢰성이 확보된 고성능 나노촉매 합성 상용화 길을 열었다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 청정연료연구실 박지찬 박사 연구팀과 계산과학연구실 김병현 박사 연구팀이 메탄 건식개질 반응에서 일반 니켈 촉매보다 합성가스 생산성이 2배 높고, 안정성은 16배 향상된 세슘(Cs)-니켈(Ni) 복합촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

연구진이 개발한 촉매는 자동화 촉매 합성장치를 활용해 저가로 만들게 설계, 대량제조 시 동일 성능을 유지하는 높은 재현성을 갖췄다.

메탄의 건식개질 반응은 지금까지 고온에서 반응 안정성 문제로 상용화에 어려움이 있었다. 고온에서 활성금속 촉매입자가 서로 엉겨 굳는 소결이 일어나고, 많은 온실가스들이 빠른 속도로 공급되면 부반응으로 촉매입자 표면에 탄소가 급격히 쌓이는 침적현상이 일어나 반응이 중단됐다.

연구진은 자동화 촉매 합성장치를 이용해 세슘이 고르게 도핑된 니켈 나노입자를 기공이 잘 발달된 알루미늄 산화물 지지체에 30wt%의 높은 함량으로 담지한 나노촉매를 개발했다. 특히, 얻어진 세슘-니켈 입자 복합 담지 촉매는 높은 니켈 함량에도 불구하고 고른 입자 분포를 가지고 있었고, 크기도 5 나노미터(nm) 수준으로 매우 작아 메탄 건식 개질 반응에서 우수한 특성을 보였다.

이번 연구를 통해 개발한 촉매는 일반 니켈 촉매보다 고 유속의 반응 조건에서 2배향상된 합성가스 생산성을 보였으며, 코킹현상 또한 1/16 수준으로 감소해 높은 안정성을 입증했다. 또복잡한 촉매 합성 공정이나 비싼 귀금속 전구체 없이 자동화 촉매 합성기술로 높은 안전성을 가지는 고성능 촉매를 빠르게 합성할 수 있어 경제성을 증명,했다.

연구책임자인 박지찬 박사는 “이번 연구결과가 온실가스를 대량으로 처리하기 위한 메탄 건식개질 반응에 필요한 촉매들을 신뢰성이 확보된 자동화 촉매 합성 시스템을 통해 우수한 성능으로 구현해 가치가 있다”며, “향후 기술고도화로 한계에 부딪히는 여러 촉매 반응에 필요한 촉매들의 자동화와 디지털화된 제조법 확장에 노력할 것”이라고 밝혔다.

한편, 연구결과는 우수성을 인정받아 재료·에너지 분야 우수 국제 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A (IF 14.511)’에서 중요 논문(Hot paper)과 저널 10주년 기념 1월호 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다. 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 한국연구재단 스마트 연구실 사업 지원을 받아 수행됐다.