폐기물을 이용해 고순도 청정수소를 생산하는 공정 핵심인 수성가스전이 반응 효율을 높일 촉매가 개발됐다.
한국연구재단은 노현석 연세대 교수, 이규복 충남대 교수, 이열림 계명대 교수 공동연구팀이 지르코늄(Zr) 도핑을 통해 촉매 성능을 결정짓는 주요 특성이 체계적으로 조절된 폐기물 수소화 공정용 촉매를 개발했다고 2일 밝혔다.
폐기물 수소화 기술은 환경을 보호하고 청정에너지원인 수소를 생산하는 유망기술로 주목받고 있다. 특히, 수성가스전이 반응 공정용 촉매는 수소 생산 효율을 결정하는 핵심 기술이다.
그러나 기존의 철(Fe)계 상용 촉매는 천연가스 유래 합성가스 조건에 맞춰 개발돼 그보다 일산화탄소(Co) 농도가 높은 폐기물 유래 합성가스에 활용 시 급격한 촉매 비활성화가 발생하는 문제가 있다.
이에 공동연구팀이 폐기물을 이용한 수소 생산 효율을 높일 방법을 찾아 나선 것이다.
연구팀은 수열합성법(고압과 고온수에서 광물 용해도에 의존하는 단결정 합성법)으로 제조된 일산화탄소계 구조체 촉매에 적은 양의 Zr를 0, 0.22, 1.86, 7.01 순으로 도핑해 입방 구조를 유지하면서 촉매 주요 특성인 산소저장능을 체계적으로 조절했다.
실험 결과, Co계 입방 촉매에 Zr를 체계적으로 도핑한 결과 Zr 도핑량이 가장 낮은 촉매(Zr 0.22)가 가장 높은 초기 반응 활성을 나타낸 것을 확인했다. 또 Zr 도핑량이 가장 높은 촉매(Zr 7.01)는 가장 우수한 안정성을 보였다.
공동연구진은 “연구를 통해 개발된 구조체 촉매 Zr 도핑 전략은 폐기물 수소화 공정뿐만 아니라 환경 및 산업응용 전 분야에서 활용되는 촉매 주요 성능을 향상하는 데 활용될 수 있다”고 설명했다.
이어 “이를 기반으로 폐기물로부터 고순도 청정 수소의 생산을 통한 탄소 중립 실현뿐만 아니라 자원·에너지 안보 확립과 에너지 신산업 창출이 가능할 것”이라고 덧붙였다.
한편 이번 연구성과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 1일 게재됐다.