화학연, 금속을 원자 단위로 정밀 설계… 고온서 성능 저하 해결 불순물 없이 일산화탄소 100% 선택적 생성… 장시간 운전 후 성능유지 고열 열화학 조건에서 성능 저하 없이 이산화탄소를 산업 원료인 일산화탄소로 전환하는 새로운 촉매가 개발됐다. 금속을 원자 단위로 정밀 설계해 고온 공정에서 성능 저하 없이 일산화탄소를 대량 생산할 수 있는 기반을 마련한 평가 받는다. 한국화학연구원은 김현탁 박사팀이 김영진 경북대 교수팀, 이근식 울산과학기술원(UNIST) 교수팀, 김상준 충남대 교수팀과 공동으로 고온 열화학 반응에서 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 '이중 원자구조 촉매'를 개발했다고 8일 밝혔다. 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 기술은 합성연료와 화학제품 생산의 핵심 공정이다. 하지만 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적인 분자여서 500도 이상의 고온이 필요하고 반응 과정에서 촉매 성능이 쉽게 떨어지는 문제가 있다. 기존 이산화탄소 전환 촉매는 니켈, 구리, 백금 등 금속 나노입자를 주로 사용하는데, 금속 사용량이 많을수록 비용이 늘고, 고온 장시간 운전에서 금속 입자가 뭉쳐 성능이 저하된다. 연구팀은 촉매에 금속을 원자 단위로 정밀 설계해 금속 사용량을 최소화했다. 또 질소가 도핑된 탄소 구조 안에 두 금속 원자를 원자쌍 형태로 고정하는 합성법으로 성능 저하 문제를 해결했다. 개발된 촉매는 이산화탄소를 빠르게 활성화하고, 생성된 일산화탄소는 바로 분리시키며 불필요한 메탄 생성은 억제한다. 단단히 고정된 원자는 고온에서도 위치가 뒤바뀌지 않아 반응 성능을 오래 유지할 수 있다. 합성 공정도 진공증착 같은 고가 장비 의존도를 낮추고, 용액 기반 혼합-건조-열처리로 구현되는 합성 전략으로 단순화했다. 기존과 동일한 조건에서 원료 투입만 늘려도 13∼15g 규모의 이중 원자 촉매를 반복 제조할 수 있어 대량 생산 가능성을 보여줬다고 연구팀은 설명했다. 실험 결과, 개발된 촉매는 300∼600도 범위에서 메탄 같은 불순물 없이 일산화탄소가 거의 100% 선택적으로 생성됐다. 온도를 올렸다 내리는 가혹한 조건 등에서도 100시간 이상 운전 후 성능을 유지했다. 더욱이 촉매는 실험 조건에서 이론적 한계(66%)에 근접한 64%의 전환율을 보였다고 연구팀은 설명했다. 김 박사는 "이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 합성가스를 만들고, 이후 메탄올과 합성연료, 플라스틱 등 다양한 공정으로 연결하는 이산화탄소 자원화 밸류체인의 관문 공정인 '역 수성가스전환' 촉매로 활용 가능성이 높다"고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 지난해 11월에 실렸다. 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr