버려지는 천연가스를 고부가가치 물질로 전환시켜주는 고성능 촉매가 개발됐습니다. 울산과학기술원 안광진 교수 연구팀은 나노 물질로 이뤄진 우수한 메탄 산화체 촉매를 개발했습니다.
메탄은 천연가스의 88%를 차지하는 성분이지만, 풍부한 매장량에 비해 활용 가치가 뛰어나지 않습니다. 특히 미국의 셰일 가스 기술이 혁명적으로 발전함에 따라 셰일가스의 주요 성분이기도한 메탄을 고부가가치의 제품으로 변환시키는 기술은 미래 에너지 및 환경시장을 좌우할 중요한 기술입니다. 하지만 메탄의 화학 구조가 안정적이어서 변환이 쉽지 않았습니다.
연구팀은 메탄이 변환되는 높은 온도에서도 안정적으로 반응할 수 있는 촉매를 개발했습니다. 이로써 메탄에서 포름알데히드로 변환되는 효율은 기존의 10% 미만에서 22% 이상으로 크게 향상됐습니다. 포름알데히드는 자극성 강한 냄새를 가진 기체이지만, 기능성 고분자‧살균제‧방부제 등의 원료로 광범위하게 이용돼 부가가치가 높습니다.
개발된 촉매는 600℃ 이상의 고온에서도 촉매의 구조가 안정적이고 반응성도 유지됩니다. 이는 촉매 기능을 하는 바나듐 나노 입자가 얇은 산화알루미늄 막에 둘러싸인 형태를 가지고 있어, 내부 입자의 응집이나 구조 변형을 효과적으로 막아준 덕분입니다.
수열합성방법으로 균일한 마이크로 실리카 입자 표면에 산화바나듐 나노입자를 붙인 후 이에 원자증착방법을 이용해 얇은 알루미나 박막을 구형입자에 입힙니다. 알루미나는 산화바나듐을 고온 촉매 반응에서도 구조가 무너지지 않게 보호하는 역할을 하며 바나듐에 알루미늄 원자의 결합을 유도해 촉매 물성을 향상시키는 역할도 같이 하게 됩니다.
그 결과 연구팀이 실행한 촉매 반응 테스트에서 알루미나 껍질이 없는 산화바나듐 나노입자는 고온 촉매 반응(600℃ 메탄산화반응) 후 그 구조가 망가지고 촉매활성도 쉽게 잃었지만 알루미나 껍질이 생성된 나노 촉매는 우수한 고온 안정성과 촉매 반응성을 나타냈습니다.
특히, 메탄에서 포름알데히드로 변환시키는 촉매 기술은 1987년 미국에서 특허로 등록된 이후 큰 진전이 없던 고난이도 기술이었습니다. 그런데 연구팀이 30년 만에 그 한계를 뛰어넘었습니다. 안광진 교수는 "나노 기술을 촉매에 도입함으로써 메탄을 고부가 가치의 화학물질로 변환할 때의 안정성과 효율을 획기적으로 향상시켰다"며 "풍부한 천연자원을 활용하는 차세대 에너지 기술로서 가치가 높다"고 밝혔습니다. 이 연구는 권위 있는 국제학술지 <저널 오브 케탈리시스>에 게재됐습니다.
