온실가스로 수소 만드는 촉매?!
온실가스로 수소 만드는 촉매?!
  • 함예솔
  • 승인 2020.09.09 16:50
  • 조회수 1433
  • 댓글 0
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온실가스인 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 고부가가치 수소(H2)로 바꿔주는 새로운 나노 촉매가 개발됐습니다. 이 촉매는 기존의 전극 촉매보다 메탄-수소 변환 효율이 2배 이상 뛰어나 다양한 에너지 변환 기술 발전에 크게 기여 할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다.

 

니켈이 표면에 더 잘 올라오게 하는 방법 

 

UNIST 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 온실가스인 메탄과 이산화탄소로 수소와 일산화탄소(CO)를 만드는 반응(메탄 건식 개질 반응)에 쓰이는 촉매의 성능과 안정성을 강화할 방법을 개발했습니다. 참고로 일산화탄소(CO)는 산업에서 사용되는 화합물 및 연료 생산을 위한 원료로 사용됩니다.

 

메탄 건식 개질 반응에는 니켈 (Ni) 금속 복합체 촉매가 주로 쓰였습니다. 하지만 이 촉매는 오래 쓸 경우 성능이 떨어지고 수명도 짧습니다. 고온에서 촉매끼리 뭉치거나 반응이 반복되면 촉매 표면에 탄소가 쌓이기 때문이죠.

극대화된 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 모식도. 출처: UNIST
극대화된 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 모식도. 출처: UNIST

연구팀은 니켈(Ni, 촉매역할을 하는 핵심물질)이 표면으로 더 잘 올라오게 하는 방법을 고안해 문제를 해결했습니다. 철(Fe)을 복합체 촉매 표면에 얇게 입힌 건데요. 니켈은 복합체  밖으로 나가려는 성질이 강하고 철은 안으로 들어가려는 성질이 강해 두 물질이 자리를 바꾸게 되는 원리입니다. 새롭게 올라온 니켈 때문에 입자간 뭉침이나 표면에 탄소가 쌓이는 현상이 억제됩니다. 또 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성이 더 좋아집니다.

  • 복합체

이번 실험에서는 페로브스카이트 구조를 갖는 복합체 촉매를 사용합니다. 2 종류의 양이온과 1종류의 음이온을 갖는 구조입니다. 양이온 중 하나가 전이금속(니켈)입니다. 

제1저자인 주상욱 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "균일하고 미세한 철 박막을 입힐 수 있는 기술(원자층 증착법) 이용해 '자리교체 용출 현상'을 촉진시켰다"고 설명했습니다.

이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 투과전자현미경(TEM) 분석 결과. 출처: UNIST
이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 투과전자현미경(TEM) 분석 결과. 출처: UNIST

참고로 원자층 증착법(Atomic layer deposition)이란 반응물과 표면의 반응만 일어나고 반응물 사이에는 반응이 일어나지 않아 과잉의 반응 기체가 공급되어도 단층의 원자층만 형성되는 '자가-억제(Self-limiting)' 특성을 갖고 있습니다. 기존 증착 기술과 달리 원자층을 한 층씩 미세하게 조절해 박막을 성장시킬 수 있는 고도화된 기술입니다.

이론(DFT; Density Fuctional Theory)을 통한 용출 에너지 및 상대적인 자리 교환 에너지 계산. 출처: UNIST
이론(DFT; Density Fuctional Theory)을 통한 용출 에너지 및 상대적인 자리 교환 에너지 계산. 출처: UNIST

공동 제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석박사통합과정 연구원은 "철 박막을 20회 반복해서 입혔을 때 촉매 단위 면적 당 약 400 개가 넘는 나노 입자(철-니켈 합금)가 생겼고, 이 입자들은 니켈과 철로 이뤄져 촉매 반응성이 높다"고 설명했습니다.

촉매의 변환 특성. 출처: UNIST
촉매의 변환 특성. 출처: UNIST

새로운 나노 촉매를 사용한 메탄변환 성능은 700℃에서 70% 이상의 높은 변환 효율을 보였고, 안정성에서도 400시간 이상을 유지한 결과를 보였습니다. 김 교수는 "이는 기존 전극 촉매 보다 변환 효율이 2배 이상 뛰어난 것"이라며 "개발된 촉매는 다양한 에너지 변환 기술 분야에 쓰일 것"이라고 기대했습니다.

성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. 출처: UNIST
성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. 출처: UNIST

##참고자료##

 

 


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