KAIST, 온실가스 줄이고 생산성 높인 촉매 개발
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KAIST, 온실가스 줄이고 생산성 높인 촉매 개발
  • 여용준 기자
  • 승인 2020.02.17 15:16
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단결정 마그네슘 산화물의 꼭짓점에서 탄소가 자라는 현상을 발견하고 니켈 기반의 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 올리는 방법 모식도. [사진=KAIST]
단결정 마그네슘 산화물의 꼭짓점에서 탄소가 자라는 현상을 발견하고 니켈 기반의 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 올리는 방법 모식도. [사진=KAIST]

[이뉴스투데이 여용준 기자] 자페르 야부즈 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀이 온실가스를 줄이고 생산성을 높일 수 있는 메탄의 건식 개질 반응 촉매를 개발했다.

KAIST는 이 촉매가 비활성화 없이 안정적으로 합성가스를 생산할 수 있어 수소 생산성 향상 및 합성가스 생산비용 절감 등의 효과가 있을 것으로 기대하고 있다. 

17일 KAIST에 따르면 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 앞으로 다른 개질 반응 및 기존의 수소 생산반응인 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능할 것으로 기대된다.

송영동 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스’ 14일 자에 게재됐다.

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 현상과 나노입자가 서로 뭉치게 되는 소결 현상 때문에 실제 산업에서 적용에 큰 어려움이 있다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담았다. 이렇게 제조된 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.

또 실제 산업에서 사용하는 반응조건에 적용하기 위해 고압 조건에서 측정한 결과 15바의 압력에서도 안정적인 것으로 나타났다. 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. 또 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.

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

이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 매니지먼트 센터 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 


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