KAIST 생명화학공학과 ‘자패르 야부즈’교수팀은 장시간 사용해도 성능저하가 일어나지 않는 ‘메탄 건식 개질 반응용’ 촉매를 새롭게 개발했다고 17일 밝혔다. 현재 대세를 이루고 있는 천연가스 수소 생산 효율을 큰 폭으로 높일 수 있을 것으로 보인다.

메탄 건식 개질 반응은 메탄과 이산화탄소를 이용해 수소 등의 가스를 생산하는 기술이다. 두 가지 기체 모두 지구온난화를 앞당기는 ‘온실가스’로 구분된다. 지구온난화 물질을 줄이면서도 친환경 에너지인 수소를 생산할 수 있어 에너지산업 분야에서 큰 관심을 받고 있다.
  그러나 이 방법은 생산효율을 높이기 위해 필수적으로 첨가해야 하는 ‘촉매’의 성능이 부족해 실용화가 어렵다는 단점이 있었다. 기존의 촉매는 반응이 진행될수록 표면에 탄소가 쌓여 반응성이 떨어지는 낮추는 ‘코킹(coking)’ 현상과 나노입자가 서로 뭉치는 ‘소결(sintering)’ 현상이 걸림돌이 돼 왔다.

야부즈 교수 연구팀은 이 원인을 기존 촉매의 구조에서 찾아냈다. 흔히 마그네슘 산화물을 이용하는데, 이 구조를 살펴보니 촉매 분자의 끝부분에 탄소가 달라붙어 조금씩 커진다는 사실을 알아냈다. 

연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈과 몰리브데넘이라는 물질을 섞은 ‘합금 나노입자’를 극도로 고운 마그네슘 산화물 속에 넣은 다음, 섭씨 800도 이상의 높은 온도에 구워 새로운 촉매를 만들었다. 

이렇게 만든 촉매를 메탄의 건식 개질 반응에 적용한 결과, 메탄 건식 개질 반응이 주로 일어나는 800~700도까지 온도 변화 구간에서도 안정적으로 촉매 역할을 해 낸다는 것을 알아냈다. 반응 중간에 온도를 상온으로 낮추었다가 재가동해도 활성도에 영향을 주지 않아 여러번 재사용할 수 있다는 점도 확인했다. 대기압의 15배에 달하는 압력을 가해도, 800도의 온도에서 850시간의 이상의 장시간 동안 사용 후에도 코킹 및 소결 현상이 발생하지 않았다.

연구팀이 개발한 촉매는 메탄의 건식 개질 반응에 적용할 수 있어 온실가스 감축을 통한 환경문제 해결에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 또 수소생산의 90% 이상을 차지하는 천연가스 개질 반응에도 직접 적용이 가능하다. 연구진은 이 기술을 응용하면 현재의 수소 생산성을 높일 수 있으며, 합성가스 생산비용 절감 등의 효과 역시 기대할 수 있다. 

연구를 주도한 송영동 KAIST박사과정 연구원은 “그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조과정 없이 해결할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다”며 “앞으로 다양한 문제를 해결할 수 있을 것이다”라고 말했다. 
 
이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 2월 14일 자에 게재됐다.