- 에너지연, 이산화탄소를 합성연료의 원료인 일산화탄소로 전환하는 역수성가스전환반응용 촉매 개발

- 구리-마그네슘-철을 혼합해 상용 구리 촉매 대비 일산화탄소 생성 속도 1.7배, 생성 수율 1.5배 향상

- 촉매 분야 저명 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B : 엔바이러멘탈 앤 에너지’ 5월호 온라인 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연) 수소연구단 구기영 박사 연구진이 대표적 온실가스인 이산화탄소를 친환경 연료의 핵심 원료로 탈바꿈하는 세계 최고 수준의 역수성가스전환반응용 촉매를 개발했다.

□ 역수성가스전환반응은 이산화탄소(CO₂)를 수소(H₂)와 반응기에서 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H₂O)을 만드는 기술이다. 생성된 일산화탄소는 남은 수소와 혼합해 합성가스로 전환되며, 이퓨얼(E-Fuel)^*과 같은 합성연료나 메탄올의 원료로 활용할 수 있어 친환경 연료 산업을 이끌 기술로 주목받고 있다.

* 이퓨얼(E-Fuel) : 재생에너지 기반의 전기를 통해 생산된 수소와 공기 중 포집 이산화탄소나 바이오매스에서 나오는 이산화탄소를 이용하여 만든 연료. 기존 화석연료를 대체할 수 있는 탄소중립 연료로 주목받고 있음

□ 역수성가스전환반응은 800도 이상의 고온 환경에서 진행될 때 이산화탄소 전환율이 높아 다른 금속에 비해 열 안정성이 높은 니켈 기반의 촉매가 사용된다. 하지만 고온에 장시간 노출되면 입자가 응집돼 촉매의 활성도가 떨어지고, 저온의 환경에서는 메탄 등의 부산물이 생성돼 일산화탄소 생산성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 저온 환경에서도 높은 활성도를 지닌 촉매를 개발해 공정 비용을 낮추고 효율을 올리는 방향으로 연구가 집중되고 있다.

■ 에너지연 연구진은 값싸고 풍부한 구리 기반의 촉매를 개발해 기존 촉매의 단점을 극복했다. 연구진이 개발한 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매는 400도의 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소를 1.7배 빠르게, 1.5배 많이 생성하는 데 성공했다.

□ 구리 기반의 촉매는 니켈 촉매와 달리, 400도 이하의 저온에서 메탄과 같은 부산물 생성 없이 일산화탄소만 선택적으로 생산할 수 있다. 문제는 400도 환경에서 구리의 열 안정성이 매우 낮아진다는 점이다. 열 안정성이 떨어진 구리는 입자의 응집으로 인해 촉매의 안정성을 현저히 떨어트린다. 

□ 이를 해결하기 위해 연구진은 층상 이중 수산화물 구조를 구현했다. 층상 이중 수산화물 구조는 얇은 금속층 사이에 물과 음이온이 끼어있는 샌드위치 형태로, 금속 이온의 종류와 비율을 조절해 다양한 물리적, 화학적 특성을 만들 수 있다. 연구진은 철과 마그네슘을 혼합해 구리 입자 간 공간을 채움으로써 입자가 응집되는 것을 막아 열 안정성을 높였다.

□ 또 실시간 적외선 분석과 반응 실험을 통해 개발된 촉매가 기존의 촉매보다 높은 성능을 나타내는 원인을 파악했다. 기존 구리 촉매를 사용하면 이산화탄소와 수소가 반응해 중간체인 포름산염이 먼저 생성된 후 일산화탄소로 전환된다. 반면 개발된 촉매는 중간체를 생성하지 않고 촉매 표면에서 즉시 일산화탄소로 전환되는 것을 확인했다. 반응 중 불필요한 중간물질이나 메탄 부산물을 만들지 않아 400도의 낮은 온도에서도 높은 활성도를 나타낸다는 것이다.

□ 연구진이 개발한 촉매는 400도에서 일산화탄소 수율 33.4%와 촉매 1그램당 1초 동안 223.7마이크로몰(μmol·g_cat^-1·s^-1)의 일산화탄소 생성 속도를 달성하고 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 이는 상용 구리 촉매 대비 일산화탄소 생성 속도를 1.7배 이상, 생성 수율은 1.5배 이상 높인 성과다. 또 저온에서 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 일산화탄소 생성 속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높아 세계 최고 수준을 나타냈다.

■ 연구책임자인 구기영 박사는 “저온 이산화탄소 수소화 촉매 기술은 값싸고 풍부한 금속으로 일산화탄소를 고효율로 생산할 수 있는 혁신적 성과로, 지속 가능한 합성연료의 핵심 원료 생산에 직접 활용될 수 있다”며, “앞으로 실제 산업 현장으로 확대 적용해 탄소중립 실현과 지속 가능한 합성연료 생산 기술 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 이어 가겠다”고 밝혔다.

■ 연구성과는 에너지·환경 촉매 분야 저명 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B : 엔바이러멘탈 앤 에너지’(Applied catalysis B: Environmental and Energy, IF 21.1) 2025년 5월에 온라인 게재됐으며, 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업 ‘이산화탄소와 수소로부터 지속가능항공유(e-SAF) 생산기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.