월간전기

한국에너지기술연구원 수소연구단이 대표적 온실가스인 이산화탄소를 친환경 연료의 핵심 원료로 탈바꿈하는 세계 최고 수준의 ‘역수성가스전환반응용 촉매’를 개발했다. 연구진이 개발한 ‘구리-마그네슘-철’ 혼합산화물 촉매(MgFeOX)는 400℃의 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소를 1.7배 빠르게, 1.5배 많이 생성하는 데 성공했다. 고효율 저온 이산화탄소 전환 기술 확보로 에너지 소비와 설비 비용을 크게 줄일 수 있어 경제성 향상에 기여할 것으로 기대를 모은다.

인류 활동으로 인한 이산화탄소(CO2) 배출 증가는 기후 위기의 주된 원인으로, 이를 줄이기 위한 기술개발이 시급하다. 특히 CO2를 단순히 줄이는 것을 넘어, 유용한 자원으로 전환하는 ‘CO2 자원화 기술’은 지구온난화를 해소하고 탄소중립 실현을 앞당기기 위한 핵심 전략으로 주목받고 있다.

최근 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 수소연구단은 대표적 온실가스인 이산화탄소를 친환경 연료의 핵심 원료로 탈바꿈하는 세계 최고 수준의 ‘역수성가스전환반응용 촉매’를 개발했다. 다양한 CO2자원화 기술 중 역수성가스전환(Reverse Water-Gas Shift, 이하 RWGS)반응은 CO2와 수소(H2)를 반응시켜 일산화탄소(CO)를 생산하는 핵심 공정으로, 합성연료·메탄올·플라스틱 등 다양한 고부가 화학제품의 원료를 만드는데 필수적이다.

RWGS반응은 CO2와 H2와 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H2O)을 만드는 기술이다. 생성된 CO는 남은 H2와 혼합해 합성가스로 전환되며, 이퓨얼(E-Fuel)1)과 같은 합성연료나 메탄올의 원료로 활용할 수 있어 친환경 연료 산업을 이끌 기술로 주목받고 있다.

RWGS반응은 800℃ 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, 저온(400℃ 이하)의 환경에서는 메탄 등의 부산물이 생성되어 CO 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’ 혼합산화물 촉매(MgFeOX)는 400℃의 환경에서 상용 구리 촉매보다 일산화탄소를 1.7배 빠르게, 1.5배 많이 생성하는 데 성공했다.

구리 기반의 촉매는 니켈 촉매와 달리 400℃ 이하의 저온에서 부산물 생성 없이 일산화탄소만 선택적으로 생산할 수 있다. 문제는 해당 환경에서 구리의 열 안정성이 매우 낮아진다는 점이다. 열 안정성이 떨어진 구리는 입자의 응집으로 인해 촉매의 안정성을 현저히 떨어뜨린다.

이를 해결하기 위해 연구진은 층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxide, LDH) 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.

이후 실시간 적외선 분광분석(in-situ DRIFTS)과 2단계 CO2-H2 반응 실험을 통해 ‘redox 메커니즘’을 확인하여, 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 400℃의 낮은 온도에서도 높은 활성도를 나타냈다.

신촉매는 400℃에서 일산화탄소 수율 33.4%와 촉매 1그램당 1초 동안 223.7마이크로몰(μmol·gcat-1·s-1)의 일산화탄소 생성속도를 달성하고 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 이는 상용 구리 촉매 대비 일산화탄소 생성속도를 1.7배 이상, 생성 수율은 1.5배 이상 높인 성과다. 또 저온에서 활성도가 높은 백금 등 귀금속 촉매에 비해서도 일산화탄소 생성속도는 2.2배, 생성 수율은 1.8배 높아 세계 최고 수준을 나타냈다.

‘저온 이산화탄소 수소화 촉매 기술’은 값싸고 풍부한 금속으로 일산화탄소를 고효율로 생산할 수 있는 혁신적 성과로, 이퓨얼(e-SAF, e-메탄올) 등 지속 가능한 합성연료 생산의 핵심 원료를 경제적으로 대량생산할 수 있어 합성연료 및 화학제품 생산 확대에 큰 도움이 될 것으로 기대를 모은다.

기존 귀금속 의존도를 줄이고, 대규모 산업 적용을 통해 탄소 순환 사회 구축에 기여할 뿐 아니라, 고효율 저온 CO2 전환 기술 확보로 에너지 소비와 설비 비용을 크게 줄일 수 있어 경제성 향상에도 기여할 것으로 전망된다. 연구책임자인 구기영 박사는 “앞으로 실제 산업 현장으로 확대 적용해 탄소중립 실현과 지속 가능한 합성연료 생산 기술 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 이어 가겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 에너지연 기본사업 『이산화탄소와 수소로부터 지속가능항공유(e-SAF) 생산기술 개발』 과제의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 지난 5월 에너지·환경 촉매 분야 저명 학술지 《어플라이드 카탈리시스 B : 인바이러멘탈 앤 에너지》(Applied catalysis B: Environmental and Energy, IF 21.1)에 온라인 게재된 바 있다.