우리 대학 공동 연구팀이 도시가스나 천연가스의 주요 구성 성분인 메탄을 사용해 수소와 탄소를 생산할 수 있는 촉매 반응 기술을 개발해냈다. 이에 친환경·저비용의 수소 연료와 고순도·고부가가치의 탄소를 동시에 대량 생산할 수 있는 첨단 에너지 기술로 활용될 수 있을 전망이다.

서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)와 김유권 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과) 공동 연구팀은 액상합금촉매와 지르코니아 입자가 주입된 수직 기포 반응기를 이용하여 메탄 직접 전환 수소 기체·고체 탄소 생산 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘지르코니아 입자와 융용 액상 합금을 이용한 기포 컬럼 반응기를 통한 메탄으로 부터의 이산화탄소 무배출 수소 생산 효율 증대(Enhanced Efficiency in CO2-free Hydrogen Production from Methane in a Molten Liquid Alloy Bubble Column Reactor with Zirconia Beads)’라는 논문으로 화학공학 분야 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal,  IF=13.273> 7월7일자 온라인판에 게재됐다. 공동 제1저자로 아주대 대학원 박사과정의 이영재 학생과 노용규 박사가 참여했고 박사과정 김진아 학생, 샨카라 칼라뉴르(Shankara Kalanur) 교수도 함께 했다.  

수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 넓혀가고 있다. 연료로서의 수소를 대량 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 

이러한 이유로 대표적 온실가스인 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어져 왔다. 그러나 생산 단가가 기존의 화석 연료 개질 방식에 비해 5~6배 이상 높고, 대량 생산이 어렵다는 점에서 한계를 보여왔다. 이에 완전한 청정연료로서의 수소 에너지를 이용해 ‘수소 경제’를 달성하기 위해서는 저렴하되 이산화탄소는 배출하지 않는 대량 수소 생산 기술의 개발이 시급하다. 

아주대 연구팀은 도시가스와 천연가스의 주성분인 메탄가스(CH4)를 주목했다. 메탄가스를 고체 촉매를 사용해 1000℃ 이상의 고온에서 열분해하면, 기체 형태의 수소와 고체 형태의 탄소를 생성물로 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 생산한 고체 탄소의 경우, 비활성화 문제가 있어 상용화가 어렵다는 한계를 보여왔다. 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이면서 궁극적으로 표면에서의 메탄가스 화학 반응을 막고, 이로 인해 반응 활성이 급격히 사라져버리기 때문. 

이러한 한계점을 극복하고자 최근 학계에서는 녹는점이 낮은 액상합금촉매(녹는점이 낮은 주석 등의 저융점 금속과 촉매 활성이 높은 고융점 니켈 등의 금속을 혼합한 액상의 금속촉매)를 이용하는 방법이 주목을 받아왔다. 용융된 액상합금 내부로 메탄가스를 주입해 수소가스를 발생시키고 동시에 액상 촉매 표면에 탄소층이 밀도 차이로 부유, 반응도 지속시키고 고체 탄소도 얻는 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’이다.

공동 연구팀은 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’을 기반으로 한 새로운 방식을 개발해냈다. 액상 촉매를 이용한 메탄 분해 반응에서 메탄가스가 액상 촉매 내부에서 체류하는 시간과 메탄가스의 버블 사이즈를 감소시킴으로써 메탄가스와 액상 촉매 경계의 표면적을 극대화하는 것이 반응 효율 향상에 중요한 인자임을 규명하기 위해 기존과 다른 방식을 도입한 것. 연구팀은 반응기 내부 액상 촉매에 추가적으로 지르코니아 지르코니아(지르코늄과 산소의 화합물(ZrO2). 녹는점이 높고 잘 부식되지 않으며 상온에서는 흰색 결정으로 나타남) 입자를 혼입해 메탄 버블 크기를 최소화하고 가스 유로를 복잡하게 해 기체 체류 시간을 증가시키는 방식의 새로운 반응기 구조를 개발하는 데 성공했다.  

새로운 반응기 구조를 도입한 결과, 연구팀은 높은 수소 전환율과 뛰어난 반응 내구성을 확인할 수 있었다. 기존의 온도(1000℃ 이상) 보다 낮은 985℃의 약 37% 메탄에서 수소 전환율을 달성했고, 150시간 이상의 장시간 생산에도 촉매의 활성이 오히려 증가한 것. 일반적으로 1000℃ 이하의 메탄 열분해 반응에서는 반응기 재질에 따른 비용이나 열에너지 비용을 줄일 수 있는 이점이 있지만 전환율이 급격히 저하된다는 문제점이 있었는데, 아주대 연구팀은 이를 극복하고 저온에서 최고 수준의 전환율과 연속 반응 기록을 달성해냈다. 

연구팀이 새로운 방법으로 얻은 탄소는 고순도·고부가가치의 탄소 형태(나노 튜브 및 섬유 가닥)를 보였다. 이러한 고순도·고부가가치의 탄소는 배터리 혹은 연료전지 소재로 활용될 수 있다. 수소의 친환경적 대량 생산뿐 아니라, 활용성이 넓은 탄소 소재까지 생산할 수 있는 가능성을 제시한 것.

서형탁 교수는 “이산화탄소 배출 규제 강화 움직임에 따라 기존 화석연료 기반의 수소 생산 방식의 경우 비용 상승이 불가피하다”며 “환경친화적이며 비용이 적게 드는 새로운 수소 대량 생산의 길을 열었다는 점에서 이번 연구에 의미가 있다”고 진단했다.

서 교수는 이어 “특히 수소와 동시에 얻을 수 있는 탄소를 고순도·고부가가치 형태로 연속적으로 얻게 되면 탁월한 경제성을 확보할 수 있다는 점에서, 앞으로 실용화를 목표로 연구를 이어갈 예정”이라고 말했다. 

한편 이번 연구는 산업자원통상자원부·한국산업기술평가관리원 주관 산업기술알키미스트프로젝트와 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 C1가스리파이너리사업지원으로 수행됐다. 

용융 액상 합금 촉매를 이용한 메탄 직접 분해에 의한 수소 및 탄소 생산 개념도: 메탄을 액상합금촉매와 지르코니아가 혼입되어 있는 반응기에 주입하고 열을 가하면 고순도 수소가 액상 촉매 내부에서 형성되고 동시에 탄소 파이버가 만들어진다. 탄소 파이버는 밀도가 가장 낮기 때문에 표면에 부유하므로 촉매 반응성에는 이상이 없고 장시간 연속 수소 및 탄소 생산이 가능하다. 

링크 주소 : 서형탁·김유권 교수팀, 메탄 활용한 친환경 수소·탄소 생산 기술 개발 | 아주대학교 (ajou.ac.kr)