화학硏, CO₂ 없이 청정수소 생산 '용융금속 촉매'기술 개발

셀레늄 도입한 용융금속 촉매로 메탄→수소 전환율 최대 36.3%↑

액체 촉매로 기존 고체 촉매 단점 극복, 100시간 이상 성능 지속

[대전=뉴시스] 화학연구원이 촉매 활성 및 수소 생산성이 개선된 셀레늄 용융금속 촉매를 개발했다.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 이산화탄소(CO₂) 배출없이 청정수소를 생산할 수 있는 용융금속 촉매기술을 개발했다. 

한국화학연구원은 한승주 박사팀이 셀레늄(Se)을 첨가한 용융금속 촉매(NiBi, CuBi)를 활용해 메탄(CH4) 열분해 효율을 크게 향상시키는 기술을 확보했다고 9일 밝혔다.

이 기술은 높은 메탄 전환율과 안정적인 촉매성능으로 '청록수소' 생산의 새로운 가능성을 보여줬다는 평가를 받고 있다. 청록수소는 메탄의 열분해를 통해 생성되는 수소로 전통적인 회색수소(화석 연료 기반)와 녹색수소(재생 에너지 기반)의 중간단계에 걸친 수소 생산방식이다.

메탄 열분해는 청록수소를 생산하는 친환경 기술로, 고체 탄소를 부산물로 생성하고 이산화탄소를 배출하지 않아 주목받고 있지만 높은 온도가 요구되고 고체촉매 활용 시 촉매표면에 탄소가 침적돼 비활성화가 빠르게 일어나는 문제가 있다.

이번에 연구팀은 기존 촉매의 단점을 극복키 위해 촉매 활성 및 기포 제어성능을 개선한 셀레늄이 포함된 3성분계 용융금속 촉매를 개발했다.

기존 고체 촉매를 대신한 액체 상태의 용융금속 촉매는 메탄 열분해과정에서 생성되는 탄소를 물리적으로 분리하기 쉬워 장시간 안정적인 반응을 보인다.

또 셀레늄 금속 첨가는 촉매의 표면장력 감소와 촉매 표면 활성을 증가시켜 반응가스와 촉매표면 간 접촉면적 극대화를 꾀할 수 있다. 이에 따라 반응물질의 촉매 내 체류시간이 길어져 수소 생산성이 증대된다.

특히 셀레늄 첨가는 촉매가 작동하는 활성화에너지를 감소시키고 표면활성은 증가시키며 니켈의 표면노출을 촉진, 메탄 전환효율을 개선시킨다.

이번 연구서 제시한 셀레늄이 포함된 3성분계 촉매(NiBiSe, CuBiSe)는 기존 촉매에 비해 메탄에서 수소로 바뀌는 전환율을 각 36.3%, 20.5% 향상시켰다. 연구팀은 니켈–비스무스-셀레늄(NiBiSe) 촉매가 100시간 이상의 오랜 반응에서도 성능 저하없이 안정적으로 작동함을 확인했다.

연구팀은  향후 후속 연구를 통해 공정효율을 개선, 2030년 이후 상업적 적용 가능성을 높이는 데 주력할 계획이다.

연구결과는 최근 재료·화학 분야의 국제 학술지 '어플라이드 카탈러시스 비: 인바이런멘탈 앤 에너지'(Applied Catalysis B:Environmental and Energy(IF=20.3)에 게재됐다.

화학연 이영국 원장은 "이번 연구는 기존 청록수소 생산기술의 한계점을 극복하고 탄소중립 실현에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다"며 "탄소 배출없는 청록수소 생산의 핵심 기술로 자리매김하도록 상용화에 힘쓰겠다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]