30년 난제, 메탄 직접전환공정 극대화 기술 개발
30년 난제, 메탄 직접전환공정 극대화 기술 개발
  • 진경남 기자
  • 승인 2021.01.29 17:01
  • 댓글 0
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에기硏, 메탄 촉매제조 공정설계 최적화해 안정성 향상
▲메탄 직접전환기술 촉매반응시스템.
▲메탄 산화이량화 촉매반응시스템.

[이투뉴스] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지소재연구실 김희연 박사 연구진이 30년간 촉매기술 난제로 여겨지던 메탄 직접전환공정 효율을 극대화할 수 있는 기술을 개발했다.

메탄으로부터 부분산화된 일산화탄소를 생산해 다른 고부가 화학제품을 만드는 간접전환공정은 높은 투자비용 및 낮은 효율 등의 문제가 있었다. 메탄 직접전환기술은 간접전환공정에 비해 공정이 단순하고 경제적이다. 하지만 기술 난이도가 높고 반응경로가 불명확하며, 대표적인 촉매가 제시되지 않아 난제가 많았다.

국내에서는 일부 대학과 출연연구원을 중심으로 직접전환기술에 대한 기초연구가 수행되고 있는 수준이다. 에기연은 메탄 직접전환공정에 사용되는 촉매 원자단위 설계기술과 촉매조성 최적화기술 등을 적용해 메탄 직접전환용 촉매성능 및 안정성을 극대화시켰다.

연구진은 텅스텐 계열 촉매에 간단한 처리만으로 질소성분을 도핑하는 기술을 개발해 부반응인 메탄 산화반응을 억제하고 생성물인 에틸렌 선택도를 증가시켰다.

기존 질소 도핑기술은 특별히 설계된 장치를 사용해 고온, 고압 조건에서 암모니아를 사용한 공정이 일반적이다. 연구진은 촉매 제조과정 중 액체 피리딘을 일정농도 첨가해 간단히 질소를 도핑했다. 피리딘 첨가량을 조절해 질소도핑 농도를 변화시킬 수 있으며, 도핑된 질소 성분은 800도 이상 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

또 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)기술을 촉매 제조공정에 적용해, 단원자 규모의 텅스텐 촉매를 합성했다. 반도체 공정에서 무결점 박막을 제조하는데 사용하는 화학기상증착법을 결점을 최대로 가진 촉매입자 합성에 응용했다.

합성 단원자 촉매는 1nm 미만의 작은 크기로, 메탄산화이량화 반응에서 기존 나노촉매에 비해 질량당 활성이 100배 이상 우수한 것이 확인됐다. 연구진은 메탄 직접전환공정 효율을 향상시키기 위한 공정최적화 연구를 병행해 한계 수율 30% 극복을 위한 연구를 하고있다.

텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했다. 에기연 연구진은 자체 개발한 단원자 촉매로 메탄 직접전환공정 이외에도 메탄개질을 통한 수소생산, 연료전지 및 수전해시스템, 광전기화학적 수소생산 등 다양한 에너지시스템에 적용 연구 중이다.

김희연 에너지기술연구원 책임연구원은 “메탄 직접전환공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나”라며 “메탄 직접전환용 촉매기술은 탄소중립과 미래에너지 상황에 대비하기 위한 핵심기술”이라고 강조했다.

진경남 기자 jin07@e2news.com 
 


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