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수소 생산성 향상 메탄 건식 개질 반응 촉매 개발
KAIST 자패르 야부즈 교수 연구팀…온실 가스 감출 환경 문제 해결 도움 기대
2020년 02월 17일  18:19:06 허송빈 기자 news@gocj.net

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 생명 화학 공학과 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수 연구팀이 장시간 사용해도 코킹(coking)과 소결(sintering) 현상이 발생하지 않는 메탄의 건식 개질 반응 촉매를 개발했다.

메탄의 건식 개질 반응은 온실 가스인 메탄과 이산화탄소를 동시에 감축할 수 있으면서도 화학 산업의 기반이 되는 합성 가스를 생산할 수 있어 관심을 받고 있다.

하지만 반응이 진행될수록 촉매의 표면에 탄소가 쌓여 반응성을 낮추는 코킹 현상과 나노 입자가 서로 뭉치는 소결 현상 때문에 실제 산업에서 적용에 어려움이 있다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노 입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담지했다.

이렇게 제조한 니켈-몰리브데넘 합금 나노 입자 촉매는 800도로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체의 꼭짓점을 막아 안정되는 현상을 보였다.

이는 충분한 열 에너지를 공급했을 때 니켈-몰리브데넘 나노 입자가 지지체의 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리임을 규명했다.

연구팀은 개발한 촉매를 온도 변화에 민감한 메탄의 건식 개질 반응에 적용하기 위해 온도를 변화시키며 활성도를 측정했다.

그 결과 800도에서 700도까지의 변화 구간에서도 활성도가 안정적인 것으로 나타났으며, 반응 중간에 온도를 상온으로 낮췄다가 다시 가동해도 활성도에 영향을 주지 않음을 확인했다.

실제 산업에서 사용하는 반응 조건에 적용하기 위해 고압 조건에서 측정한 결과 15bar의 압력에서도 안정적인 것으로 나타났다.

또 장시간 안정성 역시 800도에서 850시간 동안 사용 후에도 코킹·소결 현상이 발생하지 않았다.

연구팀이 개발한 촉매는 메탄의 건식 개질 반응에 적용할 수 있어 온실 가스 감축을 통한 환경 문제 해결에 도움을 줄 수 있다.

현재 수소 생산의 90% 이상을 차지하는 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능하다. 이를 통해 합성 가스 생산비용 절감, 니켈 기반의 저렴한 촉매 생산, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

송영동 박사 과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 사이언스 (Science) 2월 14일 자에 게재됐다.

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