[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 국내 연구진이 2050 탄소중립을 위해 온실가스인 메탄을 고부가가치 석유화학 원요로 전환하는 촉매원천기술을 개발하는 데 성공했다.

한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사 연구팀이 메탄을 원료로 사용해 석유화학의 '쌀'로 불리는 에틸렌의 수율을 극대화 할 수 있는 새로운 '질소 도핑' 기술이 적용된 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.

메탄직접전환용 텅스텐계 촉매 모델촉매(사진 왼쪽), 질소가 도핑된 촉매(사진 오른쪽) [자료=한국에너지기술연구원] 2021.06.10 biggerthanseoul@newspim.com

메탄으로부터 부분산화 된 일산화탄소를 생산해 다양한 고부가 화학제품을 생산하는 간접전환기술은 오래전에 상용화됐지만, 높은 에너지가 필요하고 효율이 낮다는 단점이 있다. 이와 달리 촉매반응을 통해 메탄과 산소가 직접 에틸렌과 에탄으로 전환되는 직접전환기술은 공정이 단순하지만 지금까지 촉매반응 경로가 명확히 규명되지 않았고 최적의 촉매구조나 조성이 제시된 바 없다.

메탄의 직접전환을 위해 현재까지 개발된 촉매로는 실리카에 담지된 Mn-NaW 계열의 촉매가 가장 성능과 내구성이 우수한 것으로 알려져 있다. 다만, 에틸렌과 같은 유용한 화합물로의 전환율을 높이고 경제성 있는 수율을 얻기 위해서는 촉매 성능의 추가적 개선이 요구되고 있다.

연구팀은 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 도핑했다.

도핑된 질소 성분은 800℃ 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것이 확인됐다. 부반응인 메탄의 산화로 인한 높은 반응열과 열화점(hot spot)으로 인한 촉매 비활성화를 억제하는 동시에 생성물인 C2 화합물(에탄, 에틸렌)의 선택도 역시 향상된다는 것도 입증됐다.

연구진은 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 증가시킨다는 사실도 시험을 통해 확인했다.

연구진이 개발한 질소 도핑 기술은 별도의 장치나 공정이 필요 없이, 단순히 피리딘 용액을 촉매 표면에 도핑하는 것만으로 다양한 농도의 질소를 도핑할 수 있다. 이같은 기술은 촉매 표면의 산·염기성을 조절하거나 지지체·촉매 입자간의 결합력 제어, 전자 소자의 전기적·전자적 성질의 제어 등에 다양하게 적용할 수 있다. 이 기술은 국내에서는 특허 등록이 완료됐고 미국에서는 특허 출원된 상태다.

김희연 박사는 "탄소중립2050과 관련된 연구는 이미 수십 년 전부터 국내외에서 다양하게 수행돼 왔다"며 "기존 연구를 통해 보유한 촉매원천기술의 기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록 완성도를 높이는 것이 중요하다"고 강조했ㅆ다.

이번 연구 결과는 환경분야에서 저명한 국제학술지인 '어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental / IF 16.683 / Elsevier)'에 지난 19일자(온라인) 게재됐다.

biggerthanseoul@newspim.com