[사이언스] KAIST, 온실가스 감소·수소 생산성 높일 촉매 개발

코킹 현상, 소결 현상 발생하지 않는 니켈 기반의 촉매 개발로 ‘사이언스’ 紙 게재

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2020/02/17 [11:10]

[사이언스] KAIST, 온실가스 감소·수소 생산성 높일 촉매 개발

코킹 현상, 소결 현상 발생하지 않는 니켈 기반의 촉매 개발로 ‘사이언스’ 紙 게재

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2020/02/17 [11:10]

KAIST 생명화학공학과 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수 연구팀이 장시간 사용해도 코킹(coking)과 소결(sintering) 현상이 발생하지 않는 메탄의 건식 개질 반응(dry reforming of methane) 촉매를 개발했다.

 

연구팀의 기술은 온실가스의 가장 큰 부분을 차지하는 이산화탄소와 메탄을 이용해 합성가스를 생산할 수 있는 기술로, 지구온난화 해결에 이바지할 것으로 기대된다. 또한, 개발된 촉매는 비활성화 없이 안정적으로 합성가스를 생산할 수 있어 수소 생산성 향상 및 합성가스 생산비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

 

▲ (A) 단결정의 마그네슘 산화물 및 촉매 합성 방법. 합성된 촉매는 메탄의 건식개질반응에 사용되었다. (B) 단결정 마그네슘 산화물의 전자현미경 이미지. (C) 합성된 촉매의 전자현미경 이미지. (D) 메탄의 건식 개질 반응 후 촉매의 전자현미경 이미지. 니켈-몰리브데늄 나노입자가 단결정의 마그네슘 산화물 꼭짓점 부분에 있다  © 특허뉴스

 

야부즈 교수 연구팀은 단결정 마그네슘 산화물의 꼭짓점에서 탄소가 자라는 현상을 발견하고 이를 막기 위해 니켈 기반의 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 올리는 방법을 설계했다. 이러한 기술은 향후 다른 개질 반응 및 기존의 수소 생산반응인 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능할 것으로 기대된다.

 

메탄의 건식 개질 반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 동시에 감축할 수 있으면서도 화학산업의 기반이 되는 합성가스를 생산할 수 있어 큰 관심을 받고 있다. 하지만 반응이 진행될수록 촉매의 표면에 탄소가 쌓여 반응성을 낮추는 코킹(coking) 현상과 나노입자가 서로 뭉치게 되는 소결(sintering) 현상 때문에 실제 산업에서 적용에 큰 어려움이 있다.

 

연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담지했다. 이렇게 제조된 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자 촉매는 800도로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체의 꼭짓점을 막아 안정되는 현상을 보였다.

 

이는 충분한 열에너지가 공급됐을 때 니켈-몰리브데넘 나노입자가 지지체의 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리임을 규명했다.

 

연구팀은 개발한 촉매를 온도변화에 민감한 메탄의 건식 개질 반응에 적용하기 위해 온도를 변화시키며 활성도를 측정했다. 그 결과 800도에서 700도까지의 변화 구간에서도 활성도가 안정적인 것으로 나타났으며, 반응 중간에 온도를 상온으로 낮추었다가 재가동해도 활성도에 영향을 주지 않음을 확인했다.

 

▲ 마그네슘 산화물 단결정 위에 니켈-몰리브데늄 나노입자가 충분한 열에너지를 받아 꼭짓점 위로 이동하는 모식도 (위)와 투과전자현미경 이미지 (아래)  © 특허뉴스

 

나아가 실제 산업에서 사용하는 반응조건에 적용하기 위해 고압 조건에서 측정한 결과 15(bar)의 압력에서도 안정적인 것으로 나타났다. 또한, 장시간 안정성 역시 800도에서 850시간 동안 사용 후에도 코킹 및 소결 현상이 발생하지 않는 것으로 확인됐다.

 

연구팀이 개발한 촉매는 메탄의 건식 개질 반응에 적용할 수 있어 온실가스 감축을 통한 환경문제 해결에 큰 도움을 줄 수 있다. 또한, 현재 수소생산의 90% 이상을 차지하는 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능하다. 이를 통해 합성가스 생산비용 절감, 니켈 기반의 저렴한 촉매생산, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

 

1 저자인 송영동 박사과정은 그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조과정 없이 해결할 수 있는 촉매를 개발했다라며 단결정 위에서 나노입자가 안정화되는 기술을 다른 지지체와 금속 나노입자를 이용해 적용하면 다양한 문제를 해결할 수 있을 것이다라고 말했다.

 

송영동 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 사이언스 (Science)’ 214일 자에 게재됐다.

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