보도자료

한국에너지기술연구원 보도자료

온실가스를 대량·신속 처리 가능한 고안정성 나노 촉매,자동화 합성 기술로 개발

  • 작성일 2023.02.27
  • 조회수 109538

- 안정성이 뛰어난 온실가스 고처리 나노촉매 자동화 합성 기술 실증 성공

- 경제성, 재현성, 신뢰성이 확보된 고성능 나노촉매 합성 상용화 길 열어

- 온실가스 전환기술 상용화 앞당길 촉매 기술

자동화 촉매 합성장치 앞 연구진

((왼쪽부터) 박지찬 책임연구원, 오경희 학생연구원, 김병현 책임연구원)


□ 국내 연구진이 온실가스를 수소나 일산화탄소 등 유용한 합성가스로 빠르고 안정적으로 처리 가능한 고성능 나노촉매를 개발했다. 특히 연구진이 개발한 자동화 촉매 합성장치를활용해 여러 금속이 포함된 복잡하고 정교한 촉매 개발에도 적용될 수 있음을 증명해 다양한 분야의 촉매 개발을 촉진할 것으로 기대한다.


■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 청정연료연구실 박지찬 박사 연구팀과 계산과학연구실김병현 박사 연구팀은 메탄 건식개질* 반응에서 일반 니켈 촉매보다 합성가스 생산성이 2배높고, 안정성은 16배 향상된 세슘(Cs)-니켈(Ni) 복합촉매를 개발했다. 연구진이 개발한 촉매는 자동화 촉매 합성장치를 활용해 저가로 만들 수 있게 설계했으며, 대량제조 시에도 동일한 성능을 유지하는 높은 재현성까지 갖췄다.

* 메탄 건식개질(Dry Reforming of Methane, DRM): 온실가스 성분인 메탄과 이산화탄소를 동시에 전환하여화학제품의 원료인 합성가스(수소와 일산화탄소로 구성)를 생산하는 기술


□ 메탄의 건식개질 반응은 지금까지 고온에서 반응 안정성 문제로 상용화에 많은 어려움을 가지고 있었다. 고온에서는 활성 금속 촉매 입자가 서로 엉기어 굳는 소결(sintering)이 일어나고, 많은 온실가스들이 빠른 속도로 공급되면 부반응으로 촉매 입자 표면에 탄소가 급격히 쌓이는 침적(coking) 현상이 일어나 반응이 중단되는 문제가 있다.


■ 이에 연구진은 자동화 촉매 합성장치를 이용해 세슘이 고르게 도핑된 니켈 나노입자를 기공이 잘 발달된 알루미늄 산화물 지지체에 30wt%의 높은 함량으로 담지한 나노촉매를 개발했다. 특히, 얻어진 세슘-니켈 입자 복합 담지 촉매는 높은 니켈 함량에도 불구하고 고른입자 분포를 가지고 있었고, 크기도 5 나노미터(nm) 수준으로 매우 작아 메탄 건식 개질 반응에서 우수한 특성을 보였다.


■ 연구진은 자동화 합성장치에 니켈과 세슘이 포함된 두 종류의 금속염*을 투입하고 알루미나 지지체에 용융 함침**시켜 촉매를 만들었다. 이는 일반적인 습식 기반 촉매*** 합성법보다 훨씬 작고 균일한 활성 입자 성분의 분포를 가지는 특성을 보였으며, 이를 통해 다중의 금속염을 원료로 하는 복잡하고 정교한 디자인 촉매 제작이 가능하다는 것을 입증했다.

* 금속염: 양전하를 띤 금속 이온과 음전하를 띤 비금속 이온 또는 이온 그룹으로 구성된 화합물

** 용융 함침: 수화된 금속염을 100℃ 미만의 온도 조건 하에서 용융(melting) 시켜 산화 금속 또는 탄소 물질로 구성된 다공성 지지체의 기공에 함침(infiltration) 시키는 과정으로 부수적으로 유해 용매를 사용하지 않는 장점이 있음

*** 습식 기반 촉매 제조법: 담지체와 함께 용매에 녹인 금속 전구체 용액을 건조한 후 열처리하는 방법


■ 마치 최근 개발되고 있는 밀키트 자동요리 로봇처럼 연구진이 개발한 장치도 금속염을투입하면 숙성-함침-분해-환원 등의 절차를 자동으로 진행해 비전문가도 쉽고 편리하게 촉매 합성이 가능한 것이다.


□ 연구진이 개발한 촉매는 합성 시에 알칼리성 세슘 금속의 최적 도핑으로 인해 활성 입자표면에 전자를 풍부하게 만들어 건식 개질 반응 중 탄소 침적현상 진행을 더디게 만들었다.특히 기존과 차별화된 용융 함침 기반 자동화 합성 공정을 통해 만든 균일한 촉매에서 그 효과가 극대화됨을 확인했다.


□ 향상된 탄소 침적 안정성에 대해서는 계산과학을 통해 세슘이 균일하게 분포된 니켈 입자에서 반응 중 원치 않는 부반응을 효과적으로 억제해 탄소가 쌓이는 것을 막을 수 있음을 규명해 메탄 분해 반응에서 촉매의 고안정성을 확보할 기반을 마련했다.


■ 이번 연구를 통해 개발한 촉매는 일반 니켈 촉매보다 고 유속의 반응 조건에서 2배 가까이 향상된 합성가스 생산성을 보였으며, 코킹현상 또한 1/16 수준으로 감소해 높은 안정성을 입증했다. 또한 복잡한 촉매 합성 공정이나 비싼 귀금속 전구체 사용 없이 자동화 촉매 합성 기술로 높은 안전성을 가지는 고성능의 촉매를 쉽고 빠르게 합성할 수 있어 높은 경제성을 증명했다. 이에 따라 촉매 관련 많은 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다.


■ 연구책임자인 박지찬 박사는 “이번 연구 결과가 온실가스를 대량으로 처리하기 위한 메탄 건식개질 반응에 필요한 촉매들을 신뢰성이 확보된 자동화 촉매 합성 시스템을 통해 우수한 성능으로 구현했다는 점에서 가치가 있다.”며, “향후 기술의 고도화로 현재 한계에 부딪히고 있는 여러 촉매 반응에 필요한 촉매들의 자동화와 디지털화된 제조법 확장에 더욱 노력할 것”이라고 밝혔다.


■ 연구결과는 우수성을 인정받아 재료·에너지 분야 우수 국제 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A (IF 14.511)’에서 중요 논문(Hot paper)과 저널 10주년 기념 1월호 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다.


□ 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 한국연구재단 스마트 연구실 사업 지원을 받아 수행됐다.

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