CO2를 더 빠르고 저렴하게 깨끗한 연료로 전환

한국 연구진이 이산화탄소를 기록적인 속도와 효율로 연료 성분으로 전환하는 저온 구리 촉매를 개발했습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 KIER) 수소연구부 기영 구 박사가 이끄는 과학자 팀은 주요 온실가스인 이산화탄소를 친환경 연료 생산에 필수적인 성분으로 전환할 수 있는 세계 최고 수준의 촉매를 개발했습니다.

역수성가스전환(RWGS) 반응은 이산화탄소(CO₂)를 반응기에서 수소(H₂)와 반응시켜 일산화탄소(CO)와 물(H₂O)로 전환하는 화학 공정입니다 . 생성 된 일산화탄소 는 수소와 결합하여 합성가스를 만들 수 있는데, 이는 e-연료* 및 메탄올과 같은 합성 연료를 생산하는 데 사용되는 기본 구성 요소입니다. RWGS 반응은 CO₂를 사용 가능한 연료 성분으로 재활용할 수 있기 때문에 지속 가능한 에너지 생산을 발전시키는 유망한 경로로 여겨집니다.

기존 촉매의 한계 극복

전통적으로 RWGS 반응은 800°C 이상의 온도에서 가장 잘 작동합니다. 니켈 기반 촉매는 이러한 열을 견딜 수 있기 때문에 자주 사용되지만, 시간이 지남에 따라 입자가 뭉쳐 표면적과 효율이 감소하여 성능이 저하됩니다. 더 낮은 온도에서 작동하면 이러한 문제를 피할 수 있지만, 메탄과 같은 원치 않는 부산물이 생성되어 일산화탄소 배출량이 감소합니다.

공정의 효율과 경제성을 높이기 위해 연구진은 저온에서도 높은 활성을 유지하는 촉매를 찾아왔습니다. KIER 연구팀은 단 400°C에서도 뛰어난 결과를 보이는 새로운 구리 기반 촉매를 개발하는 데 성공했습니다.

구리 촉매 설계의 획기적인 발전

새롭게 개발된 구리-마그네슘-철 혼합산화물 촉매는 상용 구리 촉매보다 성능이 뛰어나, 400°C에서 일산화탄소를 1.7배 더 빠르게, 수율은 1.5배 더 높게 생산했습니다.

구리 촉매는 니켈 촉매에 비해 중요한 장점을 가지고 있습니다. 400°C 이하의 온도에서는 메탄을 생성하지 않고 일산화탄소만 선택적으로 생성할 수 있습니다. 그러나 구리의 열 안정성은 일반적으로 그 온도 근처에서 약해져 입자 응집 및 활성 손실로 이어집니다.

이 과제를 해결하기 위해 구 박사 연구팀은 층상 이중 수산화물(LDH) 구조를 설계에 도입했습니다. 이 층상 구조는 얇은 금속판 사이에 물 분자와 음이온이 들어 있는 구조입니다. 연구진은 금속 이온의 비율과 종류를 조절하여 촉매의 물리적, 화학적 특성을 미세하게 조정했습니다. 철과 마그네슘을 첨가하여 구리 입자 사이의 틈을 메워 응집을 효과적으로 방지하고 내열성을 향상시켰습니다.

실시간 적외선 분석 및 반응 시험을 통해 새로운 촉매의 성능이 뛰어난 이유를 밝혀냈습니다. 기존의 구리 촉매는 포름산염이라는 중간체 화합물을 통해 CO₂를 일산화탄소로 전환합니다 . 그러나 이 새로운 물질은 이러한 중간체를 완전히 우회하여 표면에서 CO₂ 를 직접 일산화탄소로 전환합니다 . 메탄이나 기타 부산물을 생성하는 부반응을 피하기 때문에 이 촉매는 400°C의 비교적 낮은 온도에서도 높은 활성을 유지합니다.

기록적인 성과와 세계적 중요성

400°C에서 촉매는 33.4%의 일산화탄소 수율과 촉매 1g당 초당 223.7마이크로몰(μmol·gcat⁻¹·s⁻¹)의 일산화탄소 생성 속도를 달성했으며, 100시간 이상 연속적으로 안정성을 유지했습니다. 이러한 결과는 표준 구리 촉매보다 1.7배 높은 생성 속도와 1.5배 높은 수율을 나타냅니다. 고가이지만 활성이 높은 백금 기반 촉매와 비교했을 때, 새로운 촉매는 2.2배 빠른 생성 속도와 1.8배 높은 수율을 나타내며 여전히 우수한 성능을 보였습니다. 이는 이 촉매가 세계 최고 성능의 CO₂ 전환 촉매 중 하나임을 의미합니다.

본 연구의 책임 연구원인 구기영 박사는 "저온 CO₂ 수소화 촉매 기술은 저렴하고 풍부한 금속을 이용하여 일산화탄소를 효율적으로 생산할 수 있는 획기적인 성과입니다."라고 말했습니다. "이 기술은 지속가능한 합성 연료의 핵심 원료 생산에 직접 적용될 수 있습니다. 앞으로 실제 산업 현장으로 적용 범위를 확대하여 탄소 중립 실현 및 지속가능한 합성 연료 생산 기술의 상용화에 기여하기 위한 연구를 계속할 것입니다."

노트

* E-Fuel은 재생 가능한 전기로 생산된 친환경 수소와 대기 또는 지속 가능한 바이오매스에서 포집된 CO₂를 결합하여 생산되는 합성 연료입니다. 특히 항공 및 해운과 같이 탈탄소화가 어려운 분야에서 기존 화석 연료에 대한 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다.

본 연구 결과는 에너지 및 환경 촉매 분야의 선도적인 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental and Energy 에 2025년 5월 온라인으로 게재되었습니다. 본 연구는 한국에너지기술연구원(KIER)의 연구개발 사업인 '이산화탄소와 수소를 이용한 지속가능한 항공 연료(e-SAF) 생산 기술 개발'의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251105050712.htm