한국화학연구원은 탄소자원화연구소 전기원·김석기 박사팀이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 반응 메커니즘을 밝히고, 전환공정의 핵심인 촉매를 최적화하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.
직접전환은 두 단계로 나눠진 간접전환을 단일한 공정으로 통합한 기술이다. 간접전환 반응이 800℃ 고온에서 진행되는 반면 직접전환 반응은 300℃ 저온에서 진행돼 에너지를 적게 쓴다. 즉, 에너지 효율이 높은 것이다.
이처럼 직접전환의 에너지 효율이 높은데도 그 반응 메커니즘이 베일에 가려져 있던 탓에 촉매의 성능을 최적화하는 데 한계가 있었다.
화학연 연구진은 계산과학을 이용해 직접전환 반응에 쓰이는 촉매의 성분별 역할을 규명하고, 이를 바탕으로 촉매의 성능을 최적화했다.
직접전환 반응에는 철 기반의 철·구리·칼륨 촉매가 쓰이는데, 구리와 칼륨의 역할을 밝혀낸 것이다.
연구진은 구리가 이산화탄소(CO2)를 CO와 O로 쪼개고 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진하고 칼륨이 일산화탄소(CO)끼리 연쇄적으로 붙어서 휘발유로 전환되는 반응을 도와준다는 것을 알아냈다.
또한 직접전환 반응 공정에 칼륨을 첨가할 경우 철과 구리의 합금 형성을 촉진해 안정성을 높인다는 사실도 실험을 통해 확인했다.
이를 통해 철 기반 촉매에 들어가는 구리와 칼륨의 적절한 양을 알아내고, 최적화된 촉매를 개발했다. 그 결과 20%의 안정적인 수율(이산화탄소의 휘발유 전환율)을 확보했다.
화학연 전기원 박사는 “간접전환 방식보다 효율적인 직접전환 공정 개발에 큰 도움을 줄 것”이라며 “이번에 개발된 원천기술을 바탕으로 파일럿 플랜트로 규모를 키우는 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.
또한 직접전환 공정은 800℃ 고온에서 공정이 이뤄지는 간접전환과 비교해 300℃의 저온에서 반응이 진행돼 전력공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다. 즉, 태양열과 풍력 등 재생에너지를 전환공정의 전력 공급원으로 사용할 수 있게 된다.
화학연 김석기 박사는 “재생에너지는 자연환경과 계절에 따라 출력량이 변동될 수 있는데, 이번에 개발된 직접전환 공정은 이러한 유동적인 환경에 적합하다”며 “최근 보급량이 증가하고 있는 신재생에너지의 저장수단으로도 활용할 수 있다”고 밝혔다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
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