▲ 에너지연 연구진이 선택적 증착 공정을 통해 촉매 활용률을 높인 촉매를 개발했다.

국내 연구진이 촉매 원자를 원하는 위치에 선택적으로 담지하는 기술을 개발해 촉매 활용률과 반응 효율을 크게 높였다. 촉매 원료 사용 효율을 높이고 산업용 성형 촉매까지 제조할 수 있는 기술로, 에너지·화학 산업의 촉매 제조 기술 고도화와 다양한 산업 공정으로의 적용 확대가 기대된다.

한국에너지기술연구원(원장 정학근)은 수소에너지연구소 김희연 박사 연구팀이 촉매의 조촉매 표면에 주촉매 원자를 선택적으로 증착하는 화학기상증착(CVD) 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

촉매는 활성 성분의 종류와 함량뿐 아니라 원자가 배치된 위치와 주변 구조에 따라 반응 성능이 달라진다. 특히 여러 성분으로 구성된 촉매는 원자 간 상대적 위치와 구조가 반응경로 및 생성물 선택도에 영향을 미친다.

기존 산업용 촉매 제조에 널리 활용되는 액상법은 공정이 단순하고 대량생산에 유리하지만, 촉매 성분을 제거·건조하는 과정에서 입자가 응집되거나 원하는 위치에 특정 성분을 담지하기 어렵다는 한계가 있다. 이로 인해 투입한 원료 중 상당량이 실제 촉매 반응에 활용되지 못한다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 액상법으로 나노 크기의 조촉매를 먼저 담지한 뒤, 조촉매 표면에만 주촉매를 원자 단위로 입히는 선택적 화학기상증착(Selective CVD) 기술을 개발했다.

주촉매 원료를 기체 상태로 공급해 별도의 건조 과정이 필요 없으며, 공정 조건을 조절해 주촉매를 단원자 또는 원자 집단 형태로 담지할 수 있다. 이를 통해 화학 반응 특성에 맞춰 촉매의 원자 배열과 구조를 정밀하게 설계할 수 있다.

특히 기존 반도체용 CVD 공정과 달리 저온·상압에서 운전할 수 있어 장비 및 공정 비용 부담이 낮고, 실험실 수준의 분말형 촉매뿐 아니라 산업용 성형 촉매 제조에도 적용할 수 있다는 점이 특징이다.

연구팀은 개발 기술의 성능을 검증하기 위해 메탄을 석유화학 핵심 원료인 에틸렌으로 직접 전환하는 반응에 적용했다. 기존에 주로 사용되는 텅스텐·망간 조성 촉매는 액상법으로 제조할 경우 두 성분이 촉매 곳곳에 무작위로 분포해 반응 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

반면 선택적 CVD를 적용한 촉매는 망간 입자 표면에만 텅스텐 원자가 달걀 껍데기처럼 둘러싸인 구조를 구현했다. 그 결과 투입한 텅스텐 중 실제 반응에 활용되는 비율인 촉매 활용률은 기존 약 28%에서 82%로 약 3배 높아졌다.

메탄 전환율은 기존 6.9%에서 51.7%로 약 7.5배 향상됐으며, 최종 생성물인 에틸렌 수율도 0.9%에서 26.0%로 약 29배 증가했다. 또한 800℃의 고온에서 180시간 운전한 이후에도 원자 응집 없이 안정적인 성능과 내구성을 유지했다.

김희연 에너지연 박사는 “선택적 CVD는 기존 촉매 제조법의 양산성을 살리면서 필요한 부분에만 촉매 성분을 적용할 수 있어 경제적이고 효율적이라는 강점이 있다”며 “연료전지 및 수전해 전극용 합금 촉매와 탄화수소 개질반응용 합금 촉매 등으로 적용 범위를 넓혀 다양한 에너지·화학 공정에 맞춘 촉매 제조 플랫폼으로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단과 에너지연 기본사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’(IF 12.5)에 9월 11일 온라인 게재됐다.