김건태 교수팀, 철 박막으로 촉매 성능·안정성 개선
울산과학기술원(UNIST) 연구진이 온실가스를 수소로 변환시키는 고효율 촉매를 개발했다.
김건태 에너지화학공학과 교수팀은 온실가스인 메탄·이산화탄소로 수소·일산화탄소를 만드는 반응(메탄 건식 개질 반응)에 쓰이는 촉매 성능과 안정성을 강화하는 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.
김 교수는 “기존 전극 촉매보다 변환 효율이 2배 이상 뛰어난 결과를 보였다”라면서 “개발한 촉매는 다양한 에너지 변환 기술 발전에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 미국과학협회(AAAS)가 발행하는 ‘사이언스 어드밴시스’(Science Advances) 8월26일 온라인판에 게재됐다. /연합