온실가스로 수소 만드는 새로운 촉매 개발

울산과기원 연구팀 니켈-철 촉매 구성
메탄·이산화탄소의 수소 변환율 2배로

국내 연구진이 메탄을 수소로 바꿔주는 새로운 촉매를 개발했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 메탄이나 이산화탄소 같은 온실가스를 수소로 바꿔주는 새로운 나노 촉매를 개발했다.

울산과학기술원(유니스트)는 8일 “포항공대, 미국 펜실베니아대와 공동 연구로 메탄과 이산화탄소를 수소나 일산화탄소로 만드는 촉매를 찾아냈다”고 밝혔다.

극대화된 이온 위치 교환 현상 모식도. (A)는 기존 스마트 촉매의 자가 재생 과정 (B)는 이온 위치 교환 현상을 이용한 스마트 촉매 자가 재생 과정으로 (B)의 경우 외부에 균일하고 미세하게 원자층 증착된 철 막이 자리 교체 용출 현상을 더욱 촉진한다. 결과적으로 촉매 역할을 하는 니켈이 전극(연료극) 표면으로 올라온 수가 급증했다. 울산과학기술원 제공

온실가스의 수소화 과정에는 니켈 금속 복합체가 촉매로 사용된다. 하지만 오래 쓰면 성능이 떨어지고 수명도 짧다. 고온 처리 과정에서 촉매끼리 뭉치고, 반응을 반복하면 촉매 표면에 탄소가 쌓이는 ‘코킹 현상’이 일어난다.

유니스트 에너지화학공학과 김건태 교수 연구팀은 촉매의 핵심 물질인 니켈이 복합체의 표면으로 잘 올라오게 하는 방법을 고안했다. 김 교수는 “철 박막을 복합체 촉매 표면에 증착시키는 것이 핵심 아이디어”라고 설명했다. 니켈은 복합체 밖으로 나가려는 성질이 강하고, 철은 안으로 들어가려는 성질이 강해 두 물질이 자리를 바꾼다는 설명이다. 실험 결과 새롭게 올라온 니켈 때문에 입자간 뭉침이나 코킹 현상이 억제됐으며, 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성은 더 좋아졌다.

유니스트 연구팀. 왼쪽부터 성하림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. 유니스트 제공

연구팀 논문은 과학저널 <사이언스> 자매지 <사이언스 어드밴시스> 최근호에 실렸다. 논문 제1저자인 성아림 에너지공학과 석박사통합과정 연구원은 “철 박막을 20회 반복해 입혔을 때 단위 면적당 약 400개가 넘는 철-니켈 합금 나노입자가 생겨 촉매 반응성을 높였다”고 말했다. 연구팀이 새 촉매로 메탄을 수소로 변환해보니 700도에서 70% 이상의 높은 변환효율을 보였다. 또 400시간 이상 안정성이 유지됐다. 이런 성능은 기존 촉매보다 효율이 2배 이상 높은 것이다. 김 교수는 “새 촉매는 다양한 에너지 변환 분야에 쓰일 것”이라고 말했다.

이근영 기자 [e-mail]