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'이산화탄소→휘발유로'…화학연구원, 직접 전환 최적 '촉매기술' 개발

등록 2019.12.10 12:01:00

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계산과학 이용 직접전환 반응 메커니즘 규명… 촉매 최적화 성공

철·구리·칼륨 촉매 표면에서 이산화탄소(CO2)로부터 휘발유를 생산하는 반응을 나타낸 모식도. 구리는 CO2를 CO와 O로 쪼개고 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진해 ‘이산화탄소 전환율’을 증가시키며 칼륨은 휘발유로 전환되는 ‘탄화수소 성장 반응’을 촉진시킨다.

철·구리·칼륨 촉매 표면에서 이산화탄소(CO2)로부터 휘발유를 생산하는 반응을 나타낸 모식도. 구리는 CO2를 CO와 O로 쪼개고 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진해 ‘이산화탄소 전환율’을 증가시키며 칼륨은 휘발유로 전환되는 ‘탄화수소 성장 반응’을 촉진시킨다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 이산화탄소를 휘발유로 전환하는 효율적인 촉매 제조기술을 개발했다.

한국화학연구원은 탄소자원화연구소 전기원·김석기 박사팀이 온실가스의 주범인 이산화탄소(CO2)를 휘발유로 직접 전환하는 반응 메커니즘을 규명하고 전환공정의 핵심인 촉매 최적화에 성공했다고 10일 밝혔다.

연구원에 따르면 직접전환은 두단계로 나눠진 간접전환을 단일한 공정으로 통합한 기술이다. 간접전환 반응이 800℃ 고온에서 진행되는 반면 직접전환 반응은 300℃ 저온에서 진행되기 때문에 에너지소비가 적다.

하지만 직접전환은 반응 메커니즘이 베일에 가려져 있던 탓에 촉매의 성능을 최적화하는 데 한계가 있었다.

화학연구원 연구진은 계산과학을 이용해 직접전환 반응에 쓰이는 촉매의 성분별 역할을 규명하고 이를 바탕으로 촉매의 성능을 최적화하는데 성공했다.

연구진은 "직접전환 반응에는 철에 기반한 철·구리·칼륨 촉매가 쓰이는데 이번에 구리와 칼륨의 역할을 밝혔냈다"며 "구리가 이산화탄소(CO2)를 CO와 O로 쪼개며 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진하고, 칼륨은 일산화탄소(CO)끼리 연쇄적으로 붙어서 휘발유로 전환되는 탄화수소 성장반응을 촉진해준다는 것을 규명해 냈다"고 설명했다.

또 직접전환 반응 공정에 칼륨을 첨가할 경우 철과 구리의 합금 형성을 촉진해 안정성을 높인다는 사실도 실험을 통해 확인했다.

화학연구원의 촉매기술을 이용해 이산화탄소에서 전환된 휘발유.

화학연구원의 촉매기술을 이용해 이산화탄소에서 전환된 휘발유.

이를 통해 철 기반 촉매에 들어가는 구리와 칼륨의 적절한 양을 알아내고, 최적화된 촉매를 개발해 냈다. 그 결과 20%의 안정적인 수율(이산화탄소의 휘발유 전환율)을 확보했다.

전기원 박사는 "직접전환 공정은 800℃ 고온에서 공정이 이뤄지는 간접전환과 비교해 300℃의 저온에서 반응이 진행돼 전력공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다"며 "이번에 개발된 원천기술을 바탕으로 파일럿 플랜트로 규모를 키우는 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.

김석기 박사도 "재생에너지는 자연환경과 계절에 따라 출력량이 변동될 수 있는데, 이번에 개발된 직접전환 공정은 이런 유동적인 환경에 적합하다"면서 "최근 보급량이 증가하고 있는 신재생에너지의 저장수단으로도 활용할 수 있다"고 설명했다.

 화학연구원의 이 연구결과는 온실가스저감 분야 최고 권위지인 'Journal of CO2 Utilization' 12월호에 실렸다. 논문 제목은 Mechanistic insights into Cu and K promoted Fe-catalyzed production of liquid hydrocarbons via CO2 hydrogenation. 이다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

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