한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 김희연 박사 연구팀이 온실가스인 메탄으로 에틸렌의 수율을 극대화 할 수 있는 새로운 ‘질소 도핑’ 기술이 적용된 촉매를 개발했다. 사진은 촉매 제조 장비(사진제공:에너지연) © 뉴스1

국내 연구진이 온실가스인 메탄으로 에틸렌의 수율을 극대화 할 수 있는 새로운 ‘질소 도핑’ 기술이 적용된 촉매를 개발했다.

10일 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 김희연 박사 연구팀에 따르면 메탄의 직접전환을 위해 현재까지 개발된 촉매로는 실리카에 담지된 Mn-NaW 계열의 촉매가 가장 성능과 내구성이 우수한 것으로 알려져 있다.하지만 에틸렌과 같은 유용한 화합물로의 전환율을 높이고 경제성 있는 수율을 얻기 위해서는 촉매 성능의 추가적 개선이 요구된다.

이에 연구팀은 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 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인됐다.

또, 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 적용 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.

석유화학, 제철, 시멘트 산업 등 이산화탄소 발생원에 직접 촉매 공정을 설치, 상용화하기 위한 연구를 준비하고 있다.

한편, 이번 연구 결과는 환경분야 저명 국제학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털’ 3월19일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr