니켈 기반 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자 올리는 방법 설계
이산화탄소·메탄 동시에 줄여 지구온난화 현상 막을 수 있어
[데일리e뉴스= 전수영 기자] 카이스트(KAIST) 연구팀이 온실가스를 연료, 수소가스 및 기타 화학물질에 사용될 수 있는 성분으로 재활용하는 촉매제를 개발했다.
자페르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 카이스트 공과대학 생명과학공학과 교수 연구팀은 온실가스의 가장 많은 양을 차지하는 이산화탄소와 메탄을 이용해 합성가스를 생산하는 기술을 개발했다. 이 기술이 상용화되면 지구온난화 문제 해결에 큰 도움이 될 것으로 연구진은 기대한다.
연구팀은 단결정 마그네슘 산화물의 꼭짓점에서 탄소가 자라는 현상을 발견하고, 이를 막기 위해 니켈 기반의 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 올리는 방법을 설계했다.
이 기술은 향후 다른 개질(改質) 반응 및 기존의 수소 생산반응인 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능할 것으로 연구진은 보고 있다.
송영동 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’ 2월 14일자에 게재됐다.
메탄의 건식 개질 반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 동시에 줄일 수 있으면서, 합성가스를 생산할 수 있어 산업계에서 주목하고 있다.
하지만 반응이 진행될수록 촉매 표면에 탄소가 쌓이면서 반응성을 낮추는 코킹(coking) 현상과 나노입자가 서로 뭉치는(sintering) 현상으로 현장 적용에는 큰 어려움이 있다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담았다. 이렇게 제조된 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자 촉매는 800℃로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체의 꼭지점을 막아 안정되는 모습을 보였다.
이로써 연구진은 충분한 열에너지가 공급됐을 때 니켈-몰리브데넘 나노입자가 지지체 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리를 규명했다.
연구팀은 이렇게 개발한 촉매를 온도변화에 민감한 메탄의 건식 개질 반응에 적용하기 위해 온도를 변화시키며 활성도를 측정했다. 그 결과 800℃에서 700℃까지의 변화 구간에서도 활성도가 나타났으며, 반응 중간에 온도를 상온으로 낮췄다가 재가동해도 활성도에 영향을 주지 않음을 확인했다.
또한 실제 산업에서 사용하는 반응조건에 적용하기 위해 고압 조건에서 측정했는데, 그 결과 15바(bar) 압력에서도 안정적인 것으로 나타났다.
뿐만 아니라 장시간 안정성 역시 800℃에서 850시간 동안 사용 후에도 코킹 및 소결 현상이 발생하지 않았다.
이번에 개발한 촉매는 메탄의 건식 개질 반응에 적용할 수 있어 온실가스 감축을 통한 환경문제 해결에 큰 도움을 줄 수 있고, 현재 수소 생산의 90% 이상을 차지하는 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 이용이 가능하다.
이를 통해 합성가스 생산비용 절감, 니켈 기반의 저렴한 촉매 생산, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 연구팀은 기대한다.
송영동 박사과정은 "그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조과정 없이 해결할 수 있는 촉매를 개발했다"며 "단결정 위에서 나노입자가 안정화되는 기술을 다른 지지체와 금속 나노입자를 이용해 적용하면 다양한 문제를 해결할 수 있을 것"이라고 말했다.
