[투데이에너지 홍시현 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연) 에너지소재연구실의 김희연 박사 연구진이 온실가스인 메탄을 원료로 사용해 에틸렌의 수율을 극대화 할 수 있는 새로운 ‘질소 도핑’ 기술이 적용된 촉매를 개발했다.
연구진은 반응물인 메탄의 전환율을 향상시키고 부반응인 산화반응을 억제하기 위한 방법으로 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 방법으로 질소 성분을 도핑하는 기술을 개발했다. 촉매 제조 과정 중 일정 농도의 피리딘 용액을 촉매 표면에 함침시키는 과정만으로 질소 성분을 도핑한 것이다.
도핑된 질소 성분은 800℃ 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했으며 부반응인 메탄의 산화로 인한 높은 반응열과 열화점(hot spot)으로 인한 촉매 비활성화를 억제하는 동시에 생성물인 C2 화합물(에탄, 에틸렌)의 선택도를 향상시킴을 입증했다.
연구진이 개발한 질소 도핑 기술은 별도의 장치나 공정이 필요 없이 단순히 피리딘 용액을 촉매 표면에 도핑하는 것만으로 다양한 농도의 질소를 도핑할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 기술은 촉매 표면의 산·염기성을 조절하거나 지지체-촉매 입자간의 결합력 제어, 전자 소자의 전기적·전자적 성질의 제어 등에 다양하게 적용이 가능하다. 해당 기술은 국내 특허 등록 및 미국에 특허가 출원됐다.
연구팀은 이외에도 대표적 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 합성가스(H2, CO)를 생산하는 건식개질(Dry reforming) 공정용 촉매도 개발했다. 메탄과 수증기의 반응에 의한 습식개질(Steam reforming)의 경우 상용화가 완료됐으나 건식개질은 온실가스 감축 효과 및 단순한 공정 등의 장점에도 불구하고 촉매 표면에 심각한 탄소침적(coking)으로 인한 비활성화 문제로 인해 현재까지 상용화되지 못했다. 연구팀은 원자단위 촉매설계 및 조성 최적화를 통해 장시간 운전에도 성능 저하가 없는 anti-coking 촉매를 개발하였으며, 석유화학, 제철, 시멘트 산업 등 이산화탄소 발생원에 직접 촉매 공정을 설치, 상용화하기 위한 연구를 준비하고 있다.
김희연 에너지연 책임연구원은 “탄소중립2050과 관련된 연구는 이미 수십 년 전부터 국내외에서 다양하게 수행돼 왔다”라며 “기존 연구를 통해 보유한 촉매원천기술의 기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록 완성도를 높이는 것이 중요하며 이를 위해서는 관련 연구에 대한 지속적 투자가 필요하다”고 강조했다.