건식 개질 반응용 고내구성 자가생성촉매 개발
에너지연, 금속 사용량 3%로 합성가스 생산 성공…탄소 침적 문제 해결
한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연) 연구진이 기존 촉매의 한계를 극복한 고내구성·고안정성 자가생성촉매를 개발했다. 이번 성과를 통해 기존 대비 단 3% 수준의 금속만으로도 동일한 양의 합성가스를 생산할 수 있어 경제성과 지속 운전에 큰 진전을 이뤘다는 평가다. 연구 결과는 세계적 촉매 분야 학술지 *미국화학회 촉매 학술지(ACS Catalysis)*에 게재됐다.
온실가스를 자원화하는 건식 개질 반응 개선
에너지연 고온수전해연구실의 김희연·최윤석 박사 연구진은 서울대학교 정우철 교수팀과 공동으로 온실가스를 활용해 합성가스를 생산하는 건식 개질 반응 촉매 성능을 개선했다. 건식 개질 반응은 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 고온에서 반응시켜 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)를 얻는 기술이다. 이는 온실가스 감축과 동시에 에너지원 생산이 가능해 학계와 산업계 모두에서 활발히 연구 중이다.
현재 주로 쓰이는 니켈(Ni) 촉매는 저렴하면서 효율이 높지만, 반응 과정에서 촉매 표면에 탄소가 쌓이는 ‘탄소 침적’ 문제가 생겨 성능이 급격히 낮아지는 한계가 있었다. 이 때문에 장기 운전 및 상용화를 막는 주요 걸림돌로 지적돼왔다.
자가생성촉매 기술로 탄소 침적 막아
대안으로 주목받는 자가생성촉매는 금속 원소가 지지체 내부에 존재하다가 반응 조건에서 표면으로 이동해 활성점을 형성하는 방식이다. 이 과정에서 금속 입자가 지지체와 강하게 결합해 성능 저하를 막고, 장기간 운전 시에도 안정성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 이러한 원리를 기반으로, 기존 촉매의 니켈 사용량을 크게 줄이면서도 안정성이 높은 자가생성촉매를 설계했다. 연구진은 란타늄망간화합물(LaMnO₃) 지지체 내 란타늄(La³⁺)을 칼슘(Ca²⁺)으로 치환해 원자 간 결합력을 낮췄다. 이를 통해 니켈이 원활히 표면으로 이동할 수 있도록 해 촉매 활성도를 크게 높였다.
다만 과도한 칼슘 치환은 구조 붕괴로 이어질 수 있음을 확인했으며, 이에 최적 치환 범위를 찾아내 안정성과 활성도를 동시에 확보한 것이 이번 연구의 중요한 성과로 꼽힌다.
500시간 장기 운전에도 성능 유지
실험 결과, 개발된 촉매는 기존 대비 3% 수준의 니켈만으로 동일한 합성가스를 생산할 수 있었으며, 800℃ 고온 조건에서도 500시간 이상 높은 전환 효율을 안정적으로 유지했다. 특히 기존 촉매에서 발생하던 탄소 침적 현상도 나타나지 않아 내구성을 입증했다.
연구책임자인 김희연 박사는 “자가생성촉매 기술은 기존 니켈 촉매가 가진 문제를 해결하면서도 원료와 공정 비용을 크게 줄일 수 있는 획기적 기술”이라고 설명했다. 공동 교신저자인 최윤석 박사는 “건식 개질 반응뿐 아니라 탄화수소 개질, 고온수전해(SOEC) 등 다양한 차세대 에너지 변환 장치에 적용할 수 있는 기반기술을 확보했다는 점에서 의미가 크다”고 강조했다.
이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업 및 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 탄소 저감과 경제성 향상을 동시에 해결할 촉매 기술로서 주목받고 있다.
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