폐기물 이용한 청정 수소 생산효율 높인 촉매 개발
Zr 의 도핑으로 구조체 촉매의 산소저장능 조절 성공
□ 국내 연구진이 폐기물을 이용해 고순도 청정 수소를 생산하는 공정의 핵심인 수성가스전이 반응* 효율을 높일 촉매를 개발해 환경과 에너지 위기 대응에 청신호를 켰다.
* 수성가스전이 반응: 합성가스 내 CO를 분리가 용이한 CO2로 전환함과 동시에 추가적인 H2를 생산하는 반응.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 노현석 교수(연세대학교), 이규복 교수(충남대학교), 이열림 교수(계명대학교) 공동연구팀이 지르코늄(Zr) 도핑*을 통해 촉매의 성능을 결정짓는 주요 특성이 체계적으로 조절된 폐기물 수소화 공정용 촉매를 개발했다고 밝혔다.
* 도핑: 의도적으로 불순물을 첨가함으로써 물질의 특성을 조절하는 것.
□ 폐기물 수소화 기술은 환경을 보호하고 청정에너지원인 수소를 생산하는 유망기술로 주목받고 있다. 수성가스전이 반응 공정용 촉매는 수소 생산 효율을 결정하는 핵심 기술이다.
□ 하지만 기존의 Fe계 상용 촉매는 천연가스 유래 합성가스 조건에 맞춰 개발되어 그보다 Co 농도가 높은 폐기물 유래 합성가스에 활용 시 급격한 촉매 비활성화가 발생할 수 있다.
○ 이에 공동연구팀은 폐기물을 이용한 수소 생산의 효율을 높일 고성능/장수명 수성가스전이 반응용 촉매의 개발에 나섰다.
□ 공동 연구팀은 수열합성법*으로 제조된 Co계 구조체 촉매에 적은 양의 Zr를 0, 0.22, 1.86, 7.01 순으로 도핑하여 입방 구조**를 유지하면서 촉매의 주요 특성인 산소저장능을 체계적으로 조절하였다.
* 수열합성법: 고압과 뜨거운 물에서 광물 용해도에 의존하는 단결정 합성 방법.
** 입방구조: 단위세포 중심에 하나의 입자가 위치하고 육면체의 각 꼭짓점에 입자가 하나씩 위치한 모양.
○ Zr의 도핑을 통해 체계적으로 조절된 촉매의 산소저장능은 산화-환원 기작에 의해 촉매 격자 내 산소를 저장·배출하는 능력으로촉매의 초기 반응 활성뿐만 아니라 안정성에 큰 영향을 미친다.
□ Co계 입방 촉매에 Zr를 체계적으로 도핑한 결과 Zr 도핑량이 가장 낮은 촉매(Zr 0.22)가 가장 높은 초기 반응 활성을 나타냈으며, Zr 도핑량이 가장 높은 촉매(Zr 7.01)는 가장 우수한 안정성을 나타내었다.
□ 공동 교신저자인 노현석, 이규복, 이열림 교수는 “연구를 통해 개발된 구조체 촉매의 Zr 도핑 전략은 폐기물 수소화 공정뿐만 아니라 환경 및 산업응용 전 분야에서 활용되는 촉매의 주요 성능을 향상하는 데 활용될 수 있다”라고 연구의 의의를 설명하였다.
○ 또한“이를 기반으로 폐기물로부터 고순도 청정 수소의 생산을 통한 탄소 중립의 실현뿐만 아니라 자원·에너지 안보 확립과 에너지 신산업 창출이 가능할 것”이라고 기대를 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 및 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)’에 9월 1일 게재되었다.
