한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사 연구팀이 메탄을 원료로 에틸렌 수율을 극대화 할 수 있는 새로운 질소도핑 기술 적용 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.
탄소중립 2050의 도전적 목표 달성을 위한 움직임이 활발한 가운데, 지구 평균온도 상승폭을 1.5℃ 아래로 제한하기 위해 다각적 연구가 진행되고 있다.
이 중 이산화탄소와 함께 메탄은 자연계에 풍부하며 화학원료로 사용할 잠재력이 있는 물질로, 관련 연구에 관심이 집중되고 있다.
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 도핑하는 방식이다.
도핑된 질소 성분은 800℃ 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인했으며, 부반응인 메탄의 산화로 인한 높은 반응열과 열화점으로 인한 촉매 비활성화를 억제하는 동시에 생성물인 C2 화합물(에탄, 에틸렌)의 선택도를 향상시킴을 입증했다.
또 실리카 표면에 담지된 텅스텐 촉매에 질소를 도핑하는 경우 질소 성분이 텅스텐 옥소 복합체에 흡착된 메틸라디칼(CH3)을 안정화하며, 결과적으로 부반응물인 탄소산화물(COx)에 비해 생성물인 C2 화합물의 수율을 증가시킴을 실험으로 확인하고, 계산화학으로 검증했다.
이번 질소 도핑 기술은 별도의 장치나 공정이 필요 없이, 단순히 피리딘 용액을 촉매 표면에 도핑하는 것만으로 다양한 농도의 질소를 도핑할 수 있다는 장점이 있다.
특히 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.
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 책임연구원은 “촉매원천기술의 기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록 완성도를 높이는 것이 중요”하다며 “이를 위해서는 관련 연구에 대한 지속적 투자가 필요하다”고 밝혔다.
