한국화학연구원(이하 화학연)이 기존 온실가스를 배출하는 수소 생산방식을 극복할 액체금속촉매 활용 청록수소 생산효율 향상 기술을 개발했다.
청록수소는 화석연료 기반 회색수소와 재생에너지 기반 녹색수소의 중간단계로, 메탄 열분해로 생성한다.
화학연 한승주 박사팀은 셀레늄을 첨가한 니켈-비스무스(NiBi), 구리-비스무스(CuBi)를 활용해 메탄 열분해 효율을 크게 높인 기술을 선보였다.
이 기술은 높은 메탄 전환율과 안정적 촉매성능으로 지속가능한 청정수소 생산의 새로운 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.
메탄 열분해는 청록수소를 생산하는 친환경 기술로, 고체탄소를 부산물로 생성하고 이산화탄소를 배출하지 않는다. 하지만 이를 위해 높은 온도가 필요하고, 고체촉매 활용 시 촉매 표면에 탄소가 침적돼 비활성화가 빠르게 발생하는 문제가 있다.
연구팀은 기존 촉매의 단점을 극복하기 위해 촉매 활성 및 기포 제어성능을 개선한 셀레늄 포함 3성분계 용융금속 촉매를 개발했다.
이는 기존 고체촉매 대신 액체 상태로 유지되는 용융금속촉매를 사용한 것이 특징으로, 용융금속촉매는 메탄 열분해 과정에서 생성되는 탄소를 물리적으로 분리하기가 용이해 장시간 안정적 반응을 유지할 수 있다.
아울러 셀레늄금속 첨가는 촉매 표면장력 감소와 표면활성을 증가시켰고, 표면장력 감소는 반응가스와 촉매 표면 간 접촉면적 극대화로 이어져 반응물질의 촉매 내 체류시간이 길어짐에 따라 수소 생산성이 증대됐다.
또 셀레늄 첨가는 촉매가 작동하는 활성화 에너지를 감소시켜 표면활성을 증가시키고, 특히 셀레늄이 니켈 표면노출을 촉진시키고 니켈 활성점의 메탄 전환효율을 개선시켰다.
이와 함께 셀레늄 도핑은 기존의 니켈-비스무스 촉매 표면장력을 약 19% 감소시켜, 기포 크기를 줄이고 부피대비 촉매 접촉면적을 향상시킴으로써 반응효율 극대화에 기여했다.
이 결과 셀레늄이 포함된 3성분계 촉매 니켈-비스무스-셀레늄과 구리-비스무스-셀레늄은 기존 촉매보다 메탄에서 수소로 전환율을 각각 36.3%, 20.5% 높였다.
특히 니켈–비스무스-셀레늄 촉매는 100시간 이상 반응에도 성능저하 없이 안정적으로 작동함을 확인했다.
연구팀은 이번 기술이 청정수소 생산의 상용화를 크게 앞당길 잠재력을 가진 것으로 분석하고, 공정효율 개선을 통해 2030년 이후 상업적용이 가능한 후속연구를 진행할 방침이다.
이영국 화학연 원장은 “이번 연구성과는 탄소 배출 없는 청록수소 생산의 핵심 기술로 자리잡을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 화학연 한승주 박사와 한국생산기술연구원 서정철 박사가 교신저자, 화학연 손주호 연구생(연세대)이 제1저자로 참여했고, 연구성과는 지난해 12월 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental and Energy(IF=20.3)’ 에 게재됐다. 연구진행은 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 탄소자원화플랫폼화합물연구단의 지원을 받아 수행됐다.
