KAIST생명화학공학과 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 개발했습니다. 연구팀의 기술은 온실가스의 가장 큰 부분을 차지하는 이산화탄소와 메탄을 이용해 합성가스를 생산할 수 있는 기술로 지구온난화 해결에 이바지할 것으로 기대됩니다. 또한, 개발된 촉매는 비활성화 없이 안정적으로 합성가스를 생산할 수 있어 수소 생산성 향상 및 합성가스 생산비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있습니다. 해당 연구는 <Science>에 게재됐습니다. 

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

메탄과 이산화탄소 동시에 감축하려면?

메탄의 건식 개질 반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 동시에 감축할 수 있으면서도 화학 산업의 기반이 되는 합성 가스를 생산할 수 있어 큰 관심을 받고 있습니다. 하지만 반응이 진행될수록 촉매의 표면에 탄소가 쌓여 반응성을 낮추는 코킹(coking) 현상과 나노 입자가 서로 뭉치게 되는 소결(sintering) 현상 때문에 실제 산업에서 적용에 큰 어려움이 있어왔습니다. 

연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노 입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담지했습니다. 이렇게 제조된 니켈-몰리브데넘 합금 나노 입자 촉매는 800도로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체의 꼭짓점을 막아 안정되는 현상을 보였습니다. 이는 충분한 열에너지가 공급됐을 때 니켈-몰리브데넘 나노 입자가 지지체의 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리임을 규명했습니다.

메탄 건식 개질 반응 적용을 위한 온도·압력은?

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

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

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

이번 연구의 제1 저자인 송영동 박사 과정은 "그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조 과정 없이 해결할 수 있는 촉매를 개발했다"라며 "단결정 위에서 나노 입자가 안정화되는 기술을 다른 지지체와 금속 나노입자를 이용해 적용하면 다양한 문제를 해결할 수 있을 것이다"라고 말했습니다. 

##참고자료##

• Song, Youngdong, et al. "Dry reforming of methane by stable Ni–Mo nanocatalysts on single-crystalline MgO." Science 367.6479 (2020): 777-781.

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