CO2를 보다 빠르고 저렴하게 청정 연료로 전환

역수성가스전환(RWGS) 반응은 이산화탄소(CO)를 전환시키는 화학 과정입니다.₂)를 일산화탄소(CO)와 물(H)로₂O)를 수소(H)와 반응시켜서₂) 원자로에서. 생성된 일산화탄소는 수소와 결합하여 e-연료* 및 메탄올과 같은 합성 연료를 생산하는 데 사용되는 기본 구성 요소인 합성가스를 만들 수 있습니다. CO를 재활용하는 능력 때문에₂ 사용 가능한 연료 구성 요소로 전환되는 RWGS 반응은 지속 가능한 에너지 생산을 발전시키는 유망한 경로로 간주됩니다.

기존 촉매의 한계 극복

전통적으로 RWGS 반응은 800°C 이상의 온도에서 가장 잘 작동합니다. 니켈 기반 촉매는 이러한 열을 견딜 수 있기 때문에 자주 사용되지만 시간이 지남에 따라 입자가 서로 뭉쳐져 표면적과 효율성이 떨어지면서 성능이 저하됩니다. 더 낮은 온도에서 작동하면 이 문제를 피할 수 있지만 메탄과 같은 원치 않는 부산물이 형성되어 일산화탄소 생산량이 낮아집니다.

공정을 보다 효율적이고 저렴하게 만들기 위해 연구자들은 저온 조건에서 높은 활성을 유지하는 촉매를 찾고 있었습니다. KIER팀은 단 400°C에서도 뛰어난 결과를 제공하는 새로운 구리 기반 촉매를 개발하는 데 성공했습니다.

구리 촉매 설계의 획기적인 발전

새롭게 설계된 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매는 상업용 구리 촉매보다 성능이 뛰어나 400°C에서 일산화탄소를 1.7배 더 빠르게 생성하고 수율은 1.5배 더 높습니다.

구리 촉매는 니켈에 비해 중요한 장점이 있습니다. 즉, 메탄을 생성하지 않고 400°C 미만의 온도에서 일산화탄소만 선택적으로 생성할 수 있습니다. 그러나 구리의 열 안정성은 일반적으로 해당 온도 근처에서 약화되어 입자 응집 및 활성 손실로 이어집니다.

이 문제를 해결하기 위해 구 박사 팀은 층상 이중 수산화물(LDH) 구조를 설계에 통합했습니다. 이 층 구조에는 물 분자와 음이온이 사이에 있는 얇은 금속 시트가 포함되어 있습니다. 연구진은 금속이온의 비율과 종류를 조절해 촉매의 물리적, 화학적 특성을 미세하게 조정했다. 철과 마그네슘을 첨가하면 구리 입자 사이의 틈을 메워 뭉침을 효과적으로 방지하고 내열성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

실시간 적외선 분석 및 반응 테스트를 통해 새로운 촉매가 그토록 뛰어난 성능을 발휘하는 이유가 밝혀졌습니다. 기존 구리 촉매는 CO를 변환합니다.₂ 포름산염이라는 중간 화합물을 통해 일산화탄소로 전환됩니다. 그러나 새로운 물질은 이러한 중간체를 완전히 우회하여 CO를 전환합니다.₂ 표면의 CO로 직접적으로. 메탄이나 다른 부산물을 생성하는 부반응을 방지하기 때문에 촉매는 400°C라는 비교적 낮은 온도에서도 높은 활성을 유지합니다.

기록적인 성과와 글로벌 중요성

400°C에서 촉매는 33.4%의 일산화탄소 수율과 초당 촉매 그램당 223.7 마이크로몰(μmol·gcat⁻1·s⁻1)의 형성 속도를 달성하여 100시간 이상 연속 안정성을 유지했습니다. 이러한 결과는 표준 구리 촉매보다 1.7배 더 높은 형성 속도와 1.5배 더 높은 수율을 나타냅니다. 가격이 비싸지만 활성도가 높은 백금 기반 촉매와 비교해 보면, 새로운 촉매는 형성 속도는 2.2배, 수율은 1.8배 더 뛰어나 여전히 성능이 뛰어났다. 이는 최고 성과를 내는 CO 중 하나입니다.₂ 세계의 전환 촉매.

“저온 CO₂ 수소화 촉매 기술은 저렴하고 풍부한 금속을 이용해 일산화탄소를 효율적으로 생산할 수 있는 획기적인 성과”라며 “지속가능한 합성연료의 핵심 공급원료 생산에 직접 적용할 수 있다”고 말했다. 앞으로도 실제 산업 현장에 적용할 수 있도록 연구를 계속해 탄소중립 실현과 지속가능한 합성연료 생산기술의 상용화에 기여하겠다”고 말했다.

메모

* E-연료는 재생에너지로 생산된 그린수소와 포집된 CO를 결합하여 생산되는 합성연료입니다.₂ 대기 또는 지속 가능한 바이오매스로부터. 이는 특히 항공 및 운송과 같이 탈탄소화가 어려운 분야에서 기존 화석 연료에 대한 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다.

이번 연구 결과는 2025년 5월 온라인에 게재됐다. 적용된 촉매 B: 환경 및 에너지에너지 및 환경 촉매 분야의 선도적인 저널입니다. 이번 연구는 연구원의 연구개발사업인 ‘이산화탄소와 수소를 이용한 e-SAF(지속가능한 항공연료) 생산기술 개발’의 지원을 받아 이뤄졌다.