메탄의 이산화탄소 개질 반응에서 니켈(Ni)의 입자 크기가 작을수록 표면에 노출된 Ni의 입자당 메탄 전환빈도가 높아지고 있다.

국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)와 메탄 등 기후 변화를 일으키는 주요 온실가스의 자원화를 돕는 니켈촉매의 성능을 향상시킬수 있는 방법을 찾았다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 노현석 연세대학교 교수 연구팀이 이산화탄소 포집 및 활용이 가능한 고성능 니켈 촉매의 메커니즘을 규명했다고 지난 26일 밝혔다.

지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출량을 줄이고 유용한 자원으로 재활용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 온실가스인 이산화탄소의 경우 구조적으로 안정돼 화학적 전환이 어렵고, 대부분이 고온에서 화학 반응이 진행돼 촉매의 안전성을 확보하기가 어렵다.

이에 연구팀은 고성능 이산화탄소 개질 반응용 촉매를 개발하기 위해 촉매의 구성물질인 니켈(Ni), 마그네시아(MgO), 세리아(CeO₂)와 지르코니아(ZrO₂)가 촉매의 성능에 어떤 영향을 미치는지 규명했다.

이들의 구성 비율에 따라 촉매의 특성이 어떻게 달라지는지 메커니즘을 밝힘으로서 경제적이고 안정화된 니켈 촉매 개발의 길을 열었다.

제조한 촉매를 이산화탄소 개질 반응에 적용하여 성능을 비교한 결과, 촉매의 성능에 영향을 미치는 주요 인자는 활성 물질인 니켈(Ni)의 입자 크기라는 사실을 입증했다.

또한 세리아(CeO₂)의 함량이 높아질수록 촉매 구성 물질 간의 상호작용이 강화되어 촉매 반응에 유리한 나노 수준의 작은 니켈 입자가 형성된다는 사실도 확인했다.

연구팀은 앞선 연구를 통해 이산화탄소 개질 반응에서 높은 활성을 나타내는 니켈, 촉매 활성을 증진시키는 세리아, 열적 안정성을 가진 지르코니아로 구성된 촉매를 개발했다.

이후 저렴한 마그네시아를 첨가해 경제성을 높이면서도 200시간 이상 높은 활성을 갖는 고성능 촉매를 개발하는 데 성공했다.

노현석 교수는 “Ni, MgO, CeO₂, ZrO₂로 구성된 이산화탄소 촉매의 중요 메커니즘을 규명함으로써 이산화탄소 개질 반응을 통해 생산할 수 있는 고부가가치 화학물질 생산 공정의 상용화 가능성을 확인했다”고 밝혔다.

이어 “발전소와 제철소 등에서 배출되는 이산화탄소 자원화를 위해 촉매와 반응기 등의 실용화를 위한 연구를 지속적으로 진행할 것”이라고 후속 연구계획을 밝혔다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 화학분야 권위지 그린 케미스트리(Green Chemistry) 3월호에 논문으로 게재됐다.