천연가스 속 풍부한 메탄! "자원화"
천연가스 속 풍부한 메탄! "자원화"
  • 함예솔
  • 승인 2018.10.31 08:50
  • 조회수 2486
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버려지는 천연가스를 고부가가치 물질로 전환시켜주는 고성능 촉매가 개발됐습니다. 울산과학기술원 안광진 교수 연구팀은 나노 물질로 이뤄진 우수한 메탄 산화체 촉매를 개발했습니다.

 

셰일가스의 주요 성분은 메탄. 출처: fotolia
셰일가스의 주요 성분도 메탄. 출처: fotolia

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. 

 

나노미터 두께로 쌓여있는 실리카-산화바나듐-알루미나 나노촉매. 출처: 한국연구재단
나노미터 두께로 쌓인 실리카-산화바나듐-알루미나 나노 촉매. 출처: 한국연구재단

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.

 

코어-쉘 구조를 갖는 나노촉매 제조과정. 출처: 한국연구재단
코어-쉘 구조를 갖는 나노촉매 제조과정. 출처: 한국연구재단

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.

 

안광진 교수. 출처: 한국연구재단
안광진 교수. 출처: 한국연구재단

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.
 


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