■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 청정연료연구실 박지찬 박사 연구진은 기존 상용 촉매 보다 수소 생산성이 1.9배 뛰어난 궁극적 니켈 나노촉매를 자동화 합성 장치를 통해 구현했다고 밝혔다. 그리고 이번 연구결과는 영국왕립화학회에서 발간하는 화학 및 화학공학 전문학술지인 ‘Reaction Chemistry & Engineering’지의 7월호 뒤표지 논문으로 선정됐다.

○ 기존에 사용한 나노촉매들은 비싼 원료물질을 이용한 다단계의 습식 공정이나 침전, 다양한 열처리 등 복잡한 공정과정이 필요해, 단순한 공정과 저가로 신뢰성 있게 얻을 수 있는 기술 개발이 요구되는 상황이었다.

■ 연구진은 비싼 수입 금속 전구체* 대비 15% 수준으로 저렴한 가격의 국산 금속 전구체를 사용하면서도 고성능의 나노 촉매를 얻을 수 있는 자동화 촉매 합성 장치 및 제법들을 새롭게 개발했다. 또한, 이 기술을 바탕으로 각각 4.5, 7.9, 8.8 나노미터 수준의 균일한 크기를 가지는 니켈 나노입자들이 25%의 높은 중량비로 알루미나, 활성탄, 실리카 지지체에 담지 된 나노촉매들을 합성하는데 성공했다.

* 금속 전구체: 활성 나노입자를 만들기 위해 사용한 선행 금속 화합물

○ 자동화 합성에 적용된 핵심 기술은 한정된 지지체 기공 안에 용융된 금속 화합물을 균일하게 함침한 뒤 적정 조건에 열분해 시키는 ‘용융함침공정’으로, 유해 용매를 쓰지 않아 친환경적이면서도 쉽고 간편하게 우수한 성능의 나노촉매를 얻을 수 있는 장점이 있다.

□ 이번 연구에서 자동화 기술로 합성된 니켈/알루미나계 나노촉매는 수소 생산을 위한 메탄-수증기의 개질반응*에 적용되어 기존 상용 촉매보다 훨씬 높은 반응성과 메탄 전환율, 그리고 고온에서의 안정성을 나타냈으며, 1.9배 향상된 수소생산성을 보여줌으로써 기술의 우수성을 증명할 수 있었다.

* 메탄-수증기 개질반응: 메탄가스(천연가스)와 수증기의 반응에 의해 합성 가스를 생성하는 방법으로, 주로 대량의 수소 생산을 목적으로 함   

■ 연구진은 비전문가인 누구라도 이번에 구현한 자동화 합성 장치를 이용하면 신뢰도 있는 고성능의 나노촉매들을 쉽게 합성할 수 있다는 것을 실증했다. 향후, 자동화 기술의 확장을 통해 고체촉매 뿐만 아니라 다양한 나노물질의 합성도 가능할 것이며, 이 과정에서 얻어진 여러 우수 물질의 제조법들은 플랫폼 기술을 통해 4차 산업혁명 시대에 꼭 필요한 나노소재 합성 빅데이터로도 활용 가능할 것으로 예상한다.

□ 용융함침 공정기반의 체계적 자동화 합성 시스템 기술 개발은 에너지연과 자동화 장치 전문 기업인 ㈜하이젠과의 공동연구로 진행 중이며, 2021년 이후 기술을 상용화 할 예정이다.

□ 한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업과 중소벤처기업부의 중소기업지원 선도연구기관 협력기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.