연구팀이 개발한 메탄 직접전환 공정을 통해 효율을 높이는 촉매./에너지기술연 제공
한국에너지기술연구원 김희연 박사 연구팀이 지난 30년 간 촉매기술의 난제로 여겨졌던 '메탄 직접전환공정'의 효율을 높일 수 있는 새로운 촉매기술을 개발했다.
메탄을 직접 전환함으로써 수소 생산과 석유화학 연료 등을 보다 간단하고 저렴한 비용으로 제조하는 데 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
메탄은 온실가스로 이산화탄소에 비해 방출량은 200분의 1 수준이지만 지구 온난화에 미치는 영향은 25배나 많다.
열을 가두는 특성 때문에 온난화 유발 효과가 20년 간 지속되고, 지구 온도도 이산화탄소에 비해 80배 이상 상승시키는 것으로 알려져 있다.
메탄을 유용한 원료로 전환하기 위한 간접전환 공정은 이미 상용화된 상황이다.
다만 많은 에너지 소모와 높은 투자 비용, 낮은 전환효율 등이 문제점이다.
메탄 직접전환 공정은 단순하고, 경제적인 만큼 상용화를 위한 기술개발 노력이 계속되고 있다.
하지만 기술 난이도가 높고 반응 경로 또한 불명확해 촉매 개발도 이뤄지지 않았다.
연구팀은 텅스텐 계열의 나노미터 크기 촉매에 '피리딘(염기성 용제나 공업 원료 등으로 사용되는 무색의 휘발성 액체)'을 첨가해 질소 성분을 도핑 했다.
메탄 산화반응을 억제하고 생성물인 에틸렌의 선택도를 높여 수율을 향상시키는 결과를 얻어냈다.
반도체 공정인 화학기상증착법으로 수십 나노미터 크기의 촉매보다 반응이 100배 이상 우수한 단원자 텅스턴 촉매 제조에도 성공했다.
기존 나노 촉매에 비해 질량당 활성도가 매우 뛰어나다.
연구팀은 메탄 직접전환공정의 한계 수율인 30%를 극복하기 위한 연구와 함께 단원자 촉매를 수소생산이나 연료전지, 수전해시스템 등 다양한 에너지시스템에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 계획이다.
김희연 에너지기술연 책임연구원은 "지난 30년 간 메탄 직접전환공정은 반응경로가 매우 복잡해 이에 적합한 촉매 개발에 어려움을 겪어왔다"며 "이 촉매 기술은 메탄 저감을 통한 탄소중립 실현과 석유화학 산업과 신재생에너지 시스템 등의 유용한 촉매로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.
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