- 온실가스인 메탄으로부터 고부가가치 석유화학 원료 생산

- 셰일가스의 주성분인 메탄을 고부가가치 에틸렌으로 전환

□ 탄소원자 하나와 수소 네 개가 결합한 메탄(CH4)은 이산화탄소(CO2)에 비해 방출량은 200분의 1이지만 지구 온난화지수는 25배나 높은 기체이다. 또한 열을 붙잡아 온난화를 유발하는 효과는 20년간 지속되고, 80배 이상 지구 온도를 높이는 효과를 내는 것으로 확인됐다. 이처럼 이산화탄소보다 더 무서운 메탄의 저감을 위해 탄소중립 정책과 함께 이를 유용한 자원으로 탈바꿈하는 기술개발에 이목이 집중되고 있다.

■ 이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지소재연구실 김희연 박사 연구진은 지난 30여 년 간 촉매 기술의 난제로 여겨지던 ’메탄 직접전환공정‘의 효율을 극대화할 수 있는 촉매기술을 개발했다.

□ 메탄의 배출은 천연가스 및 정유과정에서 31%, 반추동물(소, 양 등)에서 27%가 배출되며, 기타 쓰레기 매립지, 석탄광산 등에서 배출된다. 최근 채굴기술의 발전과 함께 원가 하락으로 관심이 높아진 셰일 가스의 경우, 약 5%를 구성하는 에탄은 에탄크래커를 통한 에틸렌 생산 공정이 상용화되어 있다. 하지만 70~90%를 구성하는 메탄은 현재로서는 난방 연료 또는 발전 외에 활용 범위가 넓지 않다.

■ 메탄을 유용한 원료로 전환하기 위한 노력은 오래전부터 지속되어 왔다. 메탄으로부터 부분산화 된 일산화탄소를 생산해 다른 고부가 화학제품을 만드는 간접전환 공정은 이미 오래전에 상용화됐으나, 높은 에너지 소모와 투자비용, 낮은 효율이 문제다. 반면 이미 30여 년 전에 제안된 ‘메탄 직접전환 기술(Direct Coupling of Methane)’은 간접전환공정에 비해 공정이 단순하고 경제적임에도 불구하고 기술의 난이도가 높고 현재까지 반응경로가 명확히 밝혀지지 않았으며, 대표적인 촉매 역시 제시된 바가 없다.

○ 미국, 중국 등 선진국에서는 이미 관련 기술을 보유하고 있는 것으로 알려져 있으며, 세계 최대의 석유회사인 사우디 아람코(Aramco)는 2018년에 메탄산화커플링을 통한 올레핀 생산을 위해 미국의 사일러리아 테크놀로지스(Siluria tech)와 기술 제휴했고, 2019년에는 미국 엔지니어링 기업 맥더모트(McDermott)에서 사일러리아의 특허와 공정을 매입하는 등 상용화 추진 노력을 지속하고 있다. 그러나, 국내에서는 일부 대학과 출연연을 중심으로 해당 기술에 대한 기초 연구가 수행되고 있는 수준이다.

□ 메탄을 직접전환하는 기술 중 메탄산화이량화(Oxidative Coupling of Methane, OCM)는 메탄을 산소와 반응시켜 에틸렌 등으로 직접 전환하는 기술로, 매우 강한 탄소-수소 결합으로 이루어진 메탄을 활성화시키기 위해 약 800도 이상의 높은 반응 온도가 필요하며, 반응 중 발열에 의해 촉매가 심각하게 비활성화되는 문제가 있다. 또한, 열역학적으로 메탄이 에틸렌으로 커플링되는 경로보다 일산화탄소 또는 이산화탄소 등으로 산화되는 경로를 선호해, 에틸렌의 수율을 높이기가 쉽지 않다.

■ 연구진은 이를 극복하기 위해 메탄 직접전환 공정에 사용되는 촉매의 원자단위 설계기술과 촉매조성 최적화기술 등을 적용해, 메탄 직접전환용 촉매의 성능 및 장기 안정성을 극대화하는 촉매 기술을 개발했다.

□ 연구진은 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 처리만으로 질소성분을 도핑함으로써 부반응인 메탄 산화반응을 억제하는 동시에 생성물인 에틸렌의 선택도를 향상시키는 기술을 개발했다. 기존의 질소 도핑 기술은 특별히 설계된 장치를 사용해 고온, 고압 조건에서 암모니아를 사용한 공정이 일반적이나, 연구진은 촉매 제조 과정 중 액체 상태의 피리딘을 일정 농도 첨가하는 것만으로 간단히 질소를 도핑했다. 피리딘의 첨가량 조절만으로 질소도핑 농도를 변화시킬 수 있으며, 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

□ 또한, 기존에 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 기술을 촉매 제조 공정에 적용해, 단원자(single atom) 규모의 텅스텐 촉매를 합성하는데 성공했다. 반도체 공정에서 무결점의 박막을 제조하는데 사용하는 화학기상증착법을 결점을 최대로 가진 촉매 입자의 합성에 응용한 것이다. 촉매 반응에서는 촉매 표면의 결점이 곧 반응활성점(catalytic active site)으로 작용하기 때문이다.

□ 합성된 단원자 촉매는 1 nm가 채 되지 않는 크기로, 텅스텐 단원자 촉매의 경우 메탄산화이량화 반응에서 기존의 나노 촉매에 비해 질량당 활성(mass activity)이 100배 이상 우수한 것을 확인했다. 연구진은 메탄 직접전환공정 효율을 향상시키기 위한 공정최적화 연구를 병행해 한계 수율인 30% 극복을 위한 연구를 지속하고 있다.

□ 연구팀은 텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했으며, 자체개발한 단원자 촉매는 메탄 직접전환공정 이외에도 메탄 개질을 통한 수소생산, 연료전지 및 수전해시스템, 광전기화학적 수소생산 등 다양한 에너지시스템에 적용 연구를 진행 중이다.

■ 에너지소재연구실 김희연 책임연구원은 “지난 25년 간 수행한 촉매연구 중 메탄 직접전환 공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나였다”며 “당장 결과가 보이는 상업성 높은 연구도 중요하겠으나, 메탄 직접전환용 촉매 기술은 탄소중립뿐만 아니라 미래의 에너지 상황에 대비하기 위한 핵심 기술로써 그 중요성이 크므로 촉매연구에 지속적 투자가 필요하다”고 강조했다.

□ 한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행 중에 있으며, 연구진은 ‘메탄 전환공정용 촉매에 질소 도핑 기술‘ 특허를 국내 등록과 미국 출원 완료했다.