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기술 개념도 / 에너지연 제공

[투데이에너지 임자성 기자] 화학 반응 효율을 좌우하는 촉매 원자를 필요한 위치에만 핀포인트로 배치해 원료 낭비를 획기적으로 줄이는 차세대 합성 기술이 개발됐다. 고가의 활성 원료가 엉뚱한 곳에 낭비되던 기존 제조 공정의 한계를 극복하고 메탄을 고부가가치 석유화학 원료로 전환하는 수율을 30배 가까이 끌어올렸다.

한국에너지기술연구원 수소에너지연구소 김희연 박사 연구팀이 촉매를 구성하는 원자의 크기와 분산도뿐 아니라 위치와 주변 구조까지 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 신기술을 개발했다고 밝혔다.

반도체와 화학, 에너지 산업 전반에 널리 쓰이는 기존 액상법(함침법) 기반 촉매 제조는 대량생산에는 유리하지만, 용매 제거 과정에서 입자가 쉽게 뭉치고 원하는 위치에만 활성 성분을 올리기 어려웠다. 이로 인해 값비싼 핵심 원료를 다량 투입해도 반응에 참여하지 못한 채 버려지는 양이 상당했다.

연구진은 이를 해결하기 위해 기존 액상법과 독자적인 화학기상증착(CVD)을 결합한 ‘선택적 CVD’ 기술을 고안했다. 액상법으로 나노 크기의 조촉매(망간)를 지지체 위에 먼저 올린 뒤, 기상 전구체와 촉매 표면 간 반응성 차이를 활용해 망간 표면에만 원자 상태의 주촉매(텅스텐)를 마치 달걀 껍데기처럼 선택적으로 증착시키는 방식이다. 기체 상태로 주촉매 원료를 흘려보내 별도의 건조 과정이 필요 없고, 공정 제어를 통해 단원자(Single atom)나 원자 클러스터 형태로 정밀 배치할 수 있다.

특히 기존 반도체용 정밀 CVD와 달리 고가의 복잡한 진공 장비 의존도를 낮춰 비교적 낮은 온도와 상압에서 작동하도록 단순화했다. 분말형 촉매는 물론 실제 산업 현장에 쓰이는 펠릿 형태의 성형 촉매에도 바로 적용할 수 있어 상용화와 대량 양산에 유리하다.

연구진은 개발된 촉매를 메탄을 석유화학 핵심 원료인 에틸렌으로 직접 바꾸는 메탄 산화커플링(OCM) 반응에 적용해 성능을 검증했다. 그 결과 투입된 텅스텐 중 실제 반응에 기여하는 촉매 활용률은 기존 액상 촉매의 약 28%에서 82%로 3배 가까이 급증했다. 메탄 전환율은 6.9%에서 51.7%로 약 7.5배 상승했으며, 최종 목표 생성물인 에틸렌의 수율은 0.9%에서 26.0%로 약 29배 폭증했다. 또 800℃의 혹독한 고온에서 180시간 이상 연속 운전해도 원자 뭉침 현상 없이 초기 활성과 내구성을 안정적으로 유지했다.

이번 연구는 미국 브룩헤이븐국립연구소(BNL)와의 협력을 통해 원자 수준 구조를 규명하고, 서울대학교 한정우 교수 연구팀과의 계산화학 연구로 반응 메커니즘을 이론적으로 검증했다. 연구 결과는 화학공학 분야 세계적 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 12.5)’ 9월 11일 자 온라인판에 게재됐다.

연구를 이끈 김희연 에너지연 책임연구원은 “선택적 CVD 공정은 기존 촉매 제조법의 양산성을 살리면서 활성 원자를 필요한 위치에만 정확히 배치해 경제성과 공정 효율을 극대화한 것이 핵심”이라며 “열화학 촉매는 물론 수전해 및 연료전지 전극 촉매, 이차전지 소재 등 다양한 에너지·화학 시스템에 최적화된 맞춤형 촉매 제조 플랫폼으로 확장해 나가겠다”고 말했다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)