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KAIST, 온실가스 주범 ‘이산화탄소·메탄’을 유용한 합성가스로 만든다

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2020-02-18 12:58

장시간 사용해도 코킹(coking)과 소결(sintering) 현상이 발생하지 않는 메탄의 건식 개질 반응(dry reforming of methane) 촉매를 개발한 카이스트 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수팀 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 (Science)’에 2월 14일 게재됐다.(자료출처=사이언스/제공=카이스트 자패르 야부즈 교수팀)

[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수 연구팀이 장시간 사용해도 코킹(coking)과 소결(sintering) 현상이 발생하지 않는 메탄의 건식 개질 반응(dry reforming of methane) 촉매를 개발했다고 18일 밝혔다.
 

메탄의 건식 개질 반응(dry reforming of methane)은 지구온난화의 주범인 온실가스 중에서 가장 큰 부분을 차지하고 있는 이산화탄소와 메탄을 이용해 합성가스를 생산할 수 있다. 
 
이 합성가스는 일산화탄소와 수소의 혼합물로서 메탄올과 암모니아 등 화학산업에서 기본이 되는 화학물질을 생산하는데 전반적으로 사용되고 있어 가치가 크다.
 
메탄의 건식 개질 반응은 촉매가 없이는 반응이 일어나지 않기 때문에 촉매의 역할이 중요하나 반응의 특성상 촉매가 쉽게 비활성화되어 상용화되지 못하고 있어 안정한 촉매를 개발하는 것이 중요하게 여겨지고 있다.
 
다양한 비활성화 요인 중에서 코킹 현상이 가장 큰 문제로 여겨지고 있는데 코킹은 촉매 표면에 탄소 원자들이 결합을 통해 안정한 구조를 형성하여 촉매의 활성도를 낮추는 현상을 의미한다.
 
기존의 연구에서는 팔라듐, 백금, 로듐 등 귀금속 기반의 촉매를 사용해 다양한 방법으로 coking을 해결하려고 하였으나 장시간 혹은 실제 산업에서 사용되는 조건에서 실험할 경우 코킹을 약간 감소하는 수준에 불과했고 귀금속의 경우 비싼 가격으로 인해 상용화가 어려웠다.
 
이번 연구팀의 기술은 이러한 제한점을 해결하기 위해 단결정 마그네슘 산화물의 꼭짓점에서 탄소가 자라는 현상을 발견하고 이를 막기 위해 니켈 기반의 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 올리는 방법을 설계했다.
   
연구과정을 보면 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담지했다.
 
이렇게 제조된 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자 촉매는 800도로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체의 꼭짓점을 막아 안정되는 현상을 보였다.
 
이는 충분한 열에너지가 공급됐을 때 니켈-몰리브데넘 나노입자가 지지체의 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리임을 확인했다.
 
이후 개발한 촉매를 온도변화에 민감한 메탄의 건식 개질 반응에 적용하기 위해 온도를 변화시키며 활성도를 측정했다.
 
그 결과로 800도에서 700도까지의 변화 구간에서도 활성도가 안정적인 것으로 나타났으며 반응 중간에 온도를 상온으로 낮추었다가 재가동해도 활성도에 영향을 주지 않음을 확인했다.
 
또 실제 산업에서 사용하는 반응조건에 적용하기 위해 고압 조건에서 측정한 결과에 의하면 15바(bar)의 압력에서도 안정적인 것으로 나타났고 장시간 안정성도 800도에서 850시간 동안 사용 후에도 코킹과 소결 현상이 발생하지 않는 것으로 확인됐다.
 
이 연구결과에 의하면 메탄의 건식 개질 반응에 적용할 수 있어 온실가스 감축을 통한 환경문제 해결에 큰 도움을 줄 수 있다.
 
송영동 박사과정은 “그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조과정 없이 해결할 수 있는 촉매를 개발했다”라며 “단결정 위에서 나노입자가 안정화되는 기술을 다른 지지체와 금속 나노입자를 이용해 적용하면 다양한 문제를 해결할 수 있을 것”이라고 말했다.
 
이 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 매니지먼트 센터 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐고 국제 학술지 ‘사이언스 (Science)’에 2월 14일 게재됐다.



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