한국화학연구원·경북대·UNIST·충남대 공동연구팀
이산화탄소→산업용 일산화탄소 전환 기술 개발
국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스' 발표
이산화탄소를 산업 원료인 일산화탄소로 전환할 때 필요한 핵심 촉매를 대량 생산할 길이 열렸다.
8일 한국화학연구원은 김현탁 화학공정연구본부 선임연구원이 이끄는 연구팀이 경북대, UNIST, 충남대 연구팀과 함께 금속을 원자 단위로 설계한 이중 원자 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이 촉매를 사용하면 고온에서도 안정적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 수 있다. 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 지난해 11월 실렸다.
환경에 유해한 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하면 메탄올, 합성연료, 플라스틱, 화학 원료 등 다양한 공정에서 사용할 수 있다. 이때 효율적으로 탄소를 전환할 촉매가 필수다. 니켈, 구리, 백금 등의 금속 나노입자를 주로 사용하는데, 금속이 많아질수록 비용이 높아지는 데다 500~600℃의 높은 온도에서 장시간 운전할 경우 금속 입자가 서로 뭉치는 소결 현상이 나타나 성능이 떨어진다.
연구팀은 금속을 '덩어리'가 아닌 '원자 단위'로 분산해 촉매화하는 방식을 고안했다. 질소가 도핑된 탄소 구조 안에 구리와 니켈을 '원자쌍' 형태로 고정했더니, 이산화탄소를 빠르게 활성화하면서도 생성된 일산화탄소는 바로 분리했다. 불필요한 메탄 생성 반응도 억제됐다. 서로 단단히 고정된 원자는 고온에서도 흔들리지 않아 반응 성능을 오래 유지할 수 있었다.
실제 개발한 촉매를 적용하자 300~600℃ 온도 범위에서 메탄 같은 불순물 없이 일산화탄소가 100% 생성됐다. 연구팀이 온도를 올렸다 내리는 등 환경적 조건을 바꾸며 100시간 이상 운전해도 성능을 유지했다.
연구팀은 특히 촉매를 생성할 때 기존의 '합성 공정도 진공 증착' 같은 고가 장비 대신, 비교적 저렴한 '용액 기반 혼합-건조-열처리' 합성법을 도입했다. 같은 조건에서 원료 투입만 늘려도 13~15g 분량의 촉매를 반복적으로 제조할 수 있다.
김현탁 선임연구원은 "구리-니켈 이중 원자 구조를 정밀 설계해 고온 환경에서의 반복 운전을 거쳐도 구조를 유지할 수 있음을 입증했다"고 설명했다.
이영국 화학연 원장은 "원자 촉매의 안정성을 높이고 대량 합성 가능성을 보여준 연구 성과"라며 "국내 탄소중립 기술 경쟁력을 높이는 데 기여할 것"이라고 했다.
이번 연구는 화학연 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.
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