폐기물에서 수소를 생산할 수 있는 벌집형태의 친환경 촉매가 개발됐다. 크롬을 이용하는 기존 촉매보다 활성이 최대 4배 높고, 독성을 띠지 않는 구리로 대체하여 경제성과 친환경성 두 가지 측면에서 주목받고 있다.

* 수소생산 기술 : 합성가스(일산화탄소와 수소로 구성)에서 일산화탄소를 제거하고 추가적인 수소를 생산하여 고순도의 수소를 생산하는 기술

연세대학교 환경공학과 노현석 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학분야 권위지 케미컬 커뮤니케이션즈지(Chemical Communications) 11월 7일자 표지 논문으로 게재되었다.(논문명 : A rationally designed CuFe2O4-mesoporous Al2O3 composite towards stable performance of high temperature water-gas shift reaction)

합성가스에 수증기를 반응시켜 고순도의 수소를 생산하는 공정에 이용되는 기존 철-크롬 촉매는 효율은 높지만 유독물질인 크롬을 사용하고 있어 이를 대체할 친환경적 촉매개발 연구가 활발했다.

폐기물에서 얻어지는 합성가스는 약 38%의 일산화탄소를 포함하고 있어 연료전지 등으로 활용하려면 일산화탄소의 함량을 10ppm 수준까지 낮춰 수소의 순도를 높여야 한다. 때문에 합성가스를 고순도 수소로 전환시킬 촉매의 활성과 안정성이 관건이 된다.

이에 연구팀은 크롬 대신 보다 친환경적인 구리를 적용한 벌집형 구조의 구리-철-알루미나 촉매를 개발했다.

크롬보다 독성은 적으나 활성이 낮은 구리의 단점을 지지체로 쓰는 다공성 알루미나를 벌집형으로 설계함으로써, 반응가스가 촉매의 활성점에 고르게 전달되도록 하여 극복하였다.

* 지지체 : 촉매의 열적 안정성과 기계적 안정성을 돕고 활성물질을 지지하는 물질

이를 통해, 개발된 촉매는 기존 철-크롬 촉매보다 최대 4배 가량 활성이 높은 것으로 나타났다.

벌집구조는 촉매의 활성 이외에도 내구성에도 영향을 미쳤다.

실제 기존 철-크롬 촉매의 경우 500oC에서 20시간 동안 활성이 10% 가량 감소하였으나, 개발된 촉매는 동일조건에서 1% 밖에 감소하지 않았다.

벌집구조가 철-구리간의 상호작용을 강화시켜 고온에서 뭉치는 구리의 특성을 완화함으로써 촉매의 구조적 안정성을 높인 것이다.

한편 개발된 촉매는 수명이 비교적 길어 공정운영 측면에서도 유리하다는 설명이다.

노 교수는 “고열량 폐기물로부터 차세대 연료인 수소를 경제적이고 친환경적으로 생산하기 위한 촉매의 기술적 장벽을 벌집형 구조의 알루미나로 극복함으로써, 수소경제 사회로의 조기진입을 위한 원천기술을 확보한 것에 의의가 있다”고 밝혔다.