한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 온실가스에서 수소를 만드는 새로운 촉매를 개발했다.
에너지연 고온수전해연구실 김희연·최윤석 박사 연구팀은 서울대 재료공학과 정우철 교수와 공동연구로 온실가스로 에너지원을 생산하는 건식개질반응(DRM)의 촉매를 개량하는 데 성공했다.
건식개질반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 고온 반응시켜 수소와 일산화탄소를 합성하는 기술로, 최근 탄화수소 연계 분산형 수소 생산과 고체산화물 연료전지 연계 발전시스템의 핵심 기술로 주목받고 있다.
그러나 여기 사용하는 저렴하면서도 성능이 우수한 니켈 촉매는 반응과정 중 탄소가 촉매 표면에 쌓여 성능이 급락해 상용화에 문제가 있다.
대안으로 페로브스카이트 구조 산화물을 활용한 자가생성촉매 기술이 주목받고 있다.
자가생성촉매는 금속이 지지체 내부에 존재하다가 반응조건이 갖춰지면 표면으로 나와 반응 활성점을 형성하는 기술로, 빠져나온 금속입자는 지지체와 강하게 결합하고 탄소 침적을 효과적으로 억제할 수 있어 니켈 촉매보다 장기간 운전이 가능하다.
연구팀은 원자 결합력을 최적 조건으로 조정해 고온의 건식개질반응 조건에서 안정적으로 작동하는 자가생성촉매를 개발했다.
이 촉매를 활용하면 기존 촉매의 니켈 사용량 대비 3% 수준으로도 동일한 양의 합성가스를 생성할 수 있다.
자가생성촉매는 내부의 금속원소가 표면으로 쉽게 이동할수록 반응속도가 빨라진다.
하지만 이번 연구에 사용한 란타늄망간화합물계 페로브스카이트 산화물 지지체는 원자 간 결합이 강해 내부 금속입자가 빠져나오기 어려웠다.
연구팀은 산화물 지지체 내 란타늄을 칼슘으로 치환해 원자 간 결합력을 낮추고 더 많은 양의 니켈이 촉매 표면으로 이동할 수 있도록 설계했다.
그러나 칼슘을 과도하게 첨가할 경우 페로브스카이트 구조 자체가 붕괴해 촉매의 안정성과 활성이 저하될 수 있음을 확인했다.
이를 바탕으로 칼슘 치환량의 최적 범위를 도출, 탄소 침적에 대한 높은 저항성과 개질 반응 활성도를 지니면서 안정적으로 작동하는 자가생성촉매를 개발했다.
이 촉매를 기존 촉매와 비교한 결과 동일 수준의 합성가스 생산에 필요한 니켈양이 기존의 3% 수준으로 줄었다.
아울러 기존 촉매는 연속운전 시 점차 성능이 저하되는 것과 달리 800℃ 고온 조건에서 500시간 장기운전에도 높은 전환 효율을 안정적으로 유지했으며, 탄소 침적 현상도 전혀 관찰되지 않는 우수한 내구성을 입증했다.
김 박사는 "이번 연구는 고온 건식개질뿐 아니라 고체산화물 연료전지, 고온수전해 등 다양한 에너지변환장치에 확장 적용할 수 있는 원천기술로, 탄소중립 실현과 청정수소 생산 인프라 확대에 기여할 수 있을 것"이라며 "동일한 생산량을 위해 필요한 니켈 사용량이 크게 감소함에 따라 촉매 원료비와 자원소모를 절감하고, 산업 경제성이 높아질 것으로 기대된다"고 설명했다.
