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온실가스→수소···변환 효율 2배 뛰어난 촉매 개발

김건태 UNIST 교수팀, 니켈-철 '자리 교체 용출 현상' 이용
메탄변환 성능 700℃에서 70%·안정성 400시간 이상 유지해
(왼쪽부터) 성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. <사진=UNIST 제공>(왼쪽부터) 성아림 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. <사진=UNIST 제공>

온실가스를 수소로 바꿔주는 나노 촉매가 개발됐다. 해당 촉매는 기존 전극 촉매보다 메탄-수소 변환 효율이 2배 이상 뛰어나 다양한 에너지 변환 기술에 크게 기여할 것으로 기대된다. 

UNIST(총장 이용훈)는 김건태 에너지화학공학과 교수팀이 온실가스인 메탄과 이산화탄소로 수소·일산화탄소 설계 반응(메탄 건식 개질 반응)에 사용되는 촉매 성능과 안정성 강화할 방법을 개발했다고 8일 밝혔다. 

메탄 건식 개질 반응에는 니켈 금속 복합체 촉매가 주로 쓰였지만 이는 수명이 짧다. 고온에서 촉매끼리 뭉치거나 반응이 반복되면 촉매 표면에 탄소가 쌓이기 때문이다. 

연구팀은 니켈(촉매 역할을 하는 핵심물질)이 표면으로 더 잘 올라오게 하는 방법을 고안해 문제를 해결했다. 철을 복합체 촉매 표면에 얇게 입힌 것이다. 니켈은 복합체 밖으로 나가려는 성질이 강하고 철은 안으로 들어가려는 성질이 강해 두 물질이 자리를 바꾸게 되는 원리다. 새롭게 올라온 니켈로 입자간 뭉침이나 표면에 탄소가 쌓이는 현상이 억제된다. 또 밖으로 나온 니켈이 철과 결합해 반응성이 더 좋아진다. 

제1 저자인 주상욱 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "균일하고 미세한 철 박막을 입힐 수 있는 기술(원자층 증착법)을 이용해 '자리 교체 용출 현상'을 촉진시켰다"고 설명했다.

공동 제1 저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석․박사통합과정 연구원은 "철 박막을 20회 반복해 입혔을 때 촉매 단위 면적 당 약 400개가 넘는 나노 입자(철-니켈 합금)가 생겼고, 이 입자들은 니켈과 철로 이뤄져 촉매 반응성이 높다"고 덧붙였다.

새로운 나노 촉매를 사용한 메탄변환 성능은 700℃에서 70% 이상 높은 변환효율을 보였고, 안정성에서도 400시간 이상 유지하는 결과를 보였다. 김 교수는 "이는 기존 전극 촉매보다 변환 효율이 2배 이상 뛰어난 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한정우 포항공대 교수, 존 보스(John M. Vohs)·레이몬드 고티(Raymond J. Gorte) 美 펜실베니아대 교수도 함께 참여했다. 연구 결과는 세계적 과학저널 사이언스(Science) 자매지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인에 지난달 26일 자로 게재됐다. 

극대화된 이온 위치 교환 현상 모식도. <사진=UNIST 제공>극대화된 이온 위치 교환 현상 모식도. <사진=UNIST 제공>
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