[쿠키과학] '청정수소·탄소나노튜브' 고효율 동시 생산한다

에너지연, 청록수소 생산 니켈-코발트 합성촉매 개발
저온 활성유지시간 향상, 수소생산성 급증
고부가가치 탄소나노튜브 동시 생산 기대

기사승인 2024-11-21 09:29:58

니켈-코발트 합성촉매 표면에 형성된 고결정성 탄소나노튜브 전자현미경 분석 결과. 한국에너지기술연구원

청록수소는 천연가스나 메탄을 고온반응으로 수소와 고체탄소를 분리해 이산화탄소가 거의 발생하지 않아 친환경 수소다. 아울러 수소와 함께 생산된 고체탄소는 여러 산업분야의 재료로 활용된다.

청록수소 생산 공정은 촉매를 이용해 800℃에서 메탄 등 탄화수소를 분해할 수 있고, 이 때 촉매 표면에 성장한 고결정성 탄소소재는 다른 산업에서 고부가가치 소재로 활용할 수 있어 향후 수소경제와 탄소중립에 기여할 수 있는 중요 기술로 부각되고 있다.

그러나 기존 철, 니켈 기반 촉매는 높은 반응효율을 갖지만 800℃ 이하의 저온에서 기본 활성이 제한적이거나 활성지속시간이 짧은 한계가 있어 해결이 필요한 상황이다.

신개념 청정수소·탄소나노튜브 동시 생산

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 수소연구단 김우현 박사팀이 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 신개념 니켈-코발트 합성 촉매를 개발했다.

연구팀은 청록수소가 화석연료를 기반으로 생산함에도 공정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 것에 주목했다.

하지만 청록수소를 안정적으로 생산하려면 900℃ 수준의 고온을 유지해야 한다. 이에 연구팀은 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발했다.

코발트는 탄소소재 제품을 생산할 때 전기활성을 강화하고 내구성을 향상 시키는 역할을 한다.

실제 연구팀이 기존 니켈 촉매에 코발트를 첨가하고 함량 최적화와 재현성 확보를 위한 실험을 진행한 결과 니켈과 코발트가 각각 8%, 2% 포함될 때 가장 높은 수소 생산성을 기록했다.

아울러 이 촉매는 600℃ 저온에도 기존 촉매보다 초기 30분 활성기준 50% 이상 향상된 수소를 생산할 수 있다.

기존 촉매의 초기 활성 유지시간이 90분인 반면 이번에 개발한 촉매는 150분 동안 유지할 수 있다. 이를 활용하면 기존 대비 더 낮은 온도영역에서 보다 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

촉매는 초기 활성 반응도가 높고 유지 시간이 길수록 우수하기때문에 초기활성 측정은 촉매 성능평가의 1차 지표다.

(위)니켈-코발트의 합금 형성을 통한 활성금속 입자의 분산성과 활성 향상원리, (아래)장시간 메탄분해반응속도 측정 결과. 한국에너지기술연구원

이와 함께 연구팀은 반응 후 촉매 표면에 탄소나노튜브가 생성되는 것도 확인했다. 탄소나노튜브는 이차전지 전극소재, 건축소재 등에 널리 활용되는 고부가가치 탄소물질이다.

에너지연 연구책임자 김우현 박사는 “이번 연구는 수소 생산과 동시에 탄소나노튜브 생산도 가능해 생산성과 경제성 모두를 잡은 획기적 결과”라며 “향후 개발한 촉매가 적용된 양산기술에 대한 성능평가를 통해 소재 기술과 반응시스템 설계기술을 확보할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘퓨얼 프로세싱 테크놀러지(Fuel Processing Technology, IF 7.2)’ 지난 1일자에 게재됐다.
(논문명 : Highly efficient Co-added Ni/CeO2 catalyst for co-production of hydrogen and carbon nanotubes by methane decomposition)