폐기물 이용 고순도 청정수소 생산 효율 높인 촉매 개발

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 폐기물을 이용해 고순도 청정 수소를 생산하는 공정의 핵심인 수성가스전 반응 효율을 높일 촉매를 개발했다.

한국연구재단은 연세대 노현석 교수, 충남대 이규복 교수, 계명대 이열림 교수 공동연구팀이 지르코늄(Zr) 도핑을 통해 촉매의 성능을 결정짓는 주요 특성이 체계적으로 조절된 폐기물 수소화 공정용 촉매를 개발했다고 2일 밝혔다.

도핑은 의도적으로 불순물을 첨가함으로써 물질의 특성을 조절하는 것을 말한다.

폐기물 수소화 기술은 환경을 보호하고 청정에너지원인 수소를 생산하는 유망기술로 주목받고 있다.

하지만 기존의 철(Fe)계 상용 촉매는 천연가스 유래 합성가스 조건에 맞춰 개발돼 이보다 코발트(Co) 농도가 높은 폐기물 유래 합성가스에 활용 시 급격한 촉매 비활성화가 발생할 수 있다.

이에 연구팀은 폐기물을 이용한 수소 생산의 효율을 높일 고성능·장수명 수성가스전이 반응용 촉매의 개발에 나섰다.

연구팀은 수열합성법으로 제조된 Co계 구조체 촉매에 적은 양의 지르코늄(Zr)을 0, 0.22, 1.86, 7.01 순으로 도핑해 입방 구조를 유지하면서 촉매의 주요 특성인 산소저장능을 체계적으로 조절했다.

그 결과 Zr 도핑량이 가장 낮은 촉매(Zr 0.22)가 가장 높은 초기 반응 활성을 나타냈으며 Zr 도핑량이 가장 높은 촉매(Zr 7.01)는 가장 우수한 안정성을 보였다.

Zr의 도핑을 통해 체계적으로 조절된 촉매의 산소저장능은 산화-환원 기작에 의해 촉매 격자 내 산소를 저장·배출하는 능력으로 촉매의 초기 반응 활성뿐만 아니라 안정성에 큰 영향을 미친다.

노현석·이규복·이열림 교수(공동 교신저자)는 “이번 연구를 통해 개발된 구조체 촉매의 Zr 도핑 전략은 폐기물 수소화 공정뿐만 아니라 환경 및 산업응용 전 분야에서 활용되는 촉매의 주요 성능을 향상하는 데 활용할 수 있다”며 "이를 기반으로 폐기물로부터 고순도 청정 수소의 생산을 통한 탄소 중립의 실현뿐만 아니라 자원·에너지 안보 확립과 에너지 신산업 창출이 가능할 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 및 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬엔지니어링저널'에 지난 1일 게재됐다.

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