화학연, CO2 배출 없이 청정수소 생산 가능한 ‘금속 촉매’ 기술 개발

메탄→수소 전환율 최대 36.3% 향상

2030년 후 청록수소 생산 상용화 기대

메탄으로부터 고순도 수소 및 고부가 탄소를 동시에 생산하는 CO2-free 기술. ⓒ한국화학연구원

한국화학연구원은 셀레늄(Se)을 추가한 액체 금속 촉매를 활용해, 청록수소 생산 효율을 높인 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

한승주 화학연 박사 연구팀은 셀레늄을 첨가한 용융 금속 촉매(NiBi, CuBi)를 활용해 메탄(CH4) 열분해 효율을 크게 향상시키는 기술을 선보였다.

연구진들은 본 기술을 통해 높은 메탄 전환율과 안정적인 촉매 성능을 통해 지속 가능한 청정수소 생산의 새로운 가능성을 보여줄 것으로 기대하고 있다.

메탄 열분해는 청록수소를 생산하는 친환경 기술로, 고체 탄소를 부산물로 생성하고 이산화탄소를 배출하지 않아 주목받고 있다. 하지만 기존 기술은 높은 온도가 요구되거나, 고체촉매 활용 시 촉매 표면에 탄소가 침적돼 비활성화가 빠르게 일어나는 문제가 있었다.

연구팀은 기존 촉매의 단점을 극복하기 위해, 촉매 활성 및 기포 제어 성능을 개선한, 셀레늄이 포함된 3성분계 용융금속 촉매를 개발했다.

기존 고체 촉매 대신, 액체 상태로 유지되는 용융 금속 촉매를 사용했다는 특징이 있다. 용융 금속 촉매는 메탄 열분해 과정에서 생성되는 탄소를 물리적으로 분리하기 용이해 장시간 안정적인 반응이 가능하다.

셀레늄 금속 첨가는 촉매의 표면 장력 감소와 촉매 표면 활성을 증가시켰다. 먼저 촉매 표면 장력 감소는 반응 가스와 촉매 표면 간 접촉 면적 극대화로 이어졌다. 이에 반응 물질의 촉매 내 체류시간이 길어짐에 따라 수소 생산성이 증대됐다.

또 셀레늄 첨가는 촉매가 작동하는 활성화 에너지를 감소시켜 표면 활성을 증가시켰다. 특히 셀레늄은 니켈의 표면 노출을 촉진시키고, 니켈 활성점의 메탄 전환 효율을 개선시켰다.

셀레늄 도핑은 기존의 니켈-비스무스 촉매 표면 장력을 약 19% 감소시켜, 기포 크기를 줄이고 부피 대비 촉매 접촉 면적을 향상시킴으로써 반응 효율 극대화에 기여했다.

이번에 제안한, 셀레늄이 포함된 3성분계 촉매(NiBiSe, CuBiSe)는 기존 촉매에 비해 메탄에서 수소로 바뀌는 전환율을 각각 36.3%, 20.5% 향상시켰다. 특히 니켈–비스무스-셀레늄(NiBiSe) 촉매는 100시간 이상의 오랜 반응에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.

연구팀은 본 기술이 청정수소 생산의 상용화를 크게 앞당길 잠재력을 가지고 있다고 평가했다. 향후 후속 연구를 통해 공정 효율을 더욱 개선하고, 2030년 이후 상업적 적용 가능성을 높이는 데 주력할 계획이다.

연구진은 “이번 연구는 기존 청록수소 생산 기술의 한계점을 극복하며, 탄소중립 실현에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다”고 말했다.

이영국 화학연 원장은 “상용화를 목표로 한 이번 기술은 탄소 배출 없는 청록수소 생산의 핵심 기술로 자리매김할 것”이라고 말했다.