UNIST연구진, ‘온실가스’로 수소 만드는 촉매 개발

	▲ (왼쪽부터) UNIST 성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. 울산과학기술원 제공.

	▲ 이온 위치 교환 현상의 이론적 분석. 울산과학기술원 제공.

	▲ 이온 위치 교환 현상의 투과전자현미경(TEM) 분석. 울산과학기술원 제공.

	▲ 촉매의 메탄 가스 변환 특성. 울산과학기술원 제공.

온실가스인 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 고부가가치 수소(H2)로 바꿔주는 새로운 나노 촉매가 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 김건태 교수팀이 온실가스인 메탄과 이산화탄소로 수소와 일산화탄소(CO)를 만드는 반응(메탄 건식 개질 반응)에 쓰이는 촉매의 성능과 안정성을 강화할 방법을 개발했다고 8일 밝혔다.

그동안 메탄 건식 개질 반응에는 니켈(Ni) 금속 복합체 촉매가 주로 쓰였다. 그러나 이 촉매는 오래 쓰면 성능이 떨어지고 수명이 짧은 단점이 있다. 고온에서 촉매끼리 뭉치거나 반응이 반복되면 촉매 표면에 탄소가 쌓이기 때문이다.

연구진은 촉매 역할을 하는 핵심물질인 니켈이 표면으로 더 잘 올라오도록 하는 방법을 고안했다. 철(Fe)을 복합체 촉매 표면에 얇게 입힌 것이다.

니켈은 복합체 밖으로 나가려는 성질이 강하고 철은 안으로 들어가려는 성질이 강해, 두 물질이 자리를 바꾸게 되는 원리다.

새롭게 올라온 니켈 때문에 입자 간 뭉침이나 표면에 탄소가 쌓이는 현상이 억제되고, 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성이 더 좋아지는 효과가 있었다.

실험에서 철 박막을 20회 반복해서 입혔을 때 촉매 단위 면적 당 약 400개가 넘는 나노 입자(철-니켈 합금)가 생겼고, 이 입자들은 니켈과 철로 이뤄져 촉매 반응성이 높았다.

새로운 나노 촉매를 사용한 메탄 변환 성능은 700도 온도에서 70% 이상 높은 변환 효율을 보였고, 안정성에서도 400시간 이상을 유지했다.

이번 연구는 한정우 포항공과대학교(POSTECH) 교수, 미국 펜실베니아대 존 보스(John M. Vohs) 교수, 펜실베니아대 레이몬드 고티(Raymond J. Gorte) 교수도 동참했다.

연구결과는 세계적 과학저널 ‘사이언스(Science)’ 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 8월26일자 온라인판에 게재됐다.