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국내 연구팀이 온실가스로 수소를 만드는 기술인 '건식 개질 반응'의 효율을 크게 높일 새 물질을 개발했다. 500도(℃)가 넘는 고온에서 500시간 동안 가동해도 안정적인 성능을 유지했다.
한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 김희연·최윤석 고온수전해연구실 박사 연구팀이 서울대와의 공동연구를 통해 건식 개질 반응의 촉매를 개량하는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '미국화학회 촉매 학술지'에 4월 실렸다.
건식 개질 반응은 대표적인 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 고온에서 반응시켜 캐피탈금리상담 수소와 일산화탄소를 합성하는 기술이다. 온실가스를 줄여 지구온난화에 대응하면서도 에너지원으로 쓰이는 수소와 다목적 합성가스를 생산할 수 있는 차세대 에너지 기술로 꼽힌다. 건식 개질 반응에는 주로 저렴하면서도 성능이 우수한 니켈 촉매를 쓴다. 하지만 반응 과정 중 탄소가 촉매 표면에 쌓여 성능이 급격히 저하된다는 한계가 있었다. 탄소 침적 현상은 건식 개 국가장학금 등록금 질 반응을 상용화하는 데 큰 걸림돌이 됐다.
대안으로 떠오른 게 자가생성촉매다. 촉매 활성을 가진 금속 성분이 지지체 내부에 존재하다 특정한 반응 조건에서 표면으로 빠져나와 반응 활성점을 형성하는 기술이다. 빠져나온 금속 입자는 지지체와 강하게 결합해 탄소 침적을 억제한다. 기존 니켈 촉매에 비해 장기간 운전에도 성능을 유지할 수 있다는 토마토저축은행이율 장점이 있다.
연구팀은 원자 간 결합력을 최적의 조건으로 조정해 고온에서도 안정적으로 작동하는 자가생성촉매를 개발했다. 이 촉매를 활용하면 기존 촉매의 니켈 사용량 대비 3% 수준으로도 동일한 양의 합성가스를 생성할 수 있다.
연구팀은 산화물 지지체 안의 '란타늄'을 '칼슘'으로 바꿔 원자 간 결합력을 낮추고 더 많은 카드게임 양의 니켈이 촉매 표면으로 이동할 수 있도록 설계했는데, 칼슘을 과하게 첨가할 경우 지지체 구조 자체가 붕괴한다는 사실을 알게 됐다. 이를 바탕으로 칼슘 치환량의 최적 범위를 찾은 연구팀은 탄소 침적을 막고 개질 반응 활성도는 높은 자가생성촉매를 개발했다. 500도의 높은 온도에서 500시간 장기 운전해도 효율을 안정적으로 유지했다. 탄소 침적 현상도 전혀 수신평잔 나타나지 않았다.
연구책임자인 김희연 박사는 "기존의 니켈 촉매가 가지고 있던 탄소 침적 문제를 효과적으로 해결하면서도 원료 비용과 공정비용의 부담을 크게 줄일 수 있는 획기적 기술"이라고 했다. 최윤석 박사는 "건식 개질 반응뿐만 아니라 다양한 탄화수소 연료의 개질 공정, 고온수전해 등 차세대 에너지 변환장치 전반에 적용할 수 있는 원천기술을 확보했다"고 했다.
이번 연구는 에너지연 기본사업과 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
박건희 기자 wissen@mt.co.kr