햇빛 이용한 제로에너지 메탄올 합성 공정 개발-상온에서의 메탄 활성화 공정 실마리 찾아

햇빛 이용한 제로에너지 메탄올 합성 공정 개발-상온에서의 메탄 활성화 공정 실마리 찾아

 

등록일 2021.02.25.

 

 

햇빛 이용한 제로에너지 메탄올 합성 공정 개발 상온에서의 메탄 활성화 공정 실마리 찾아

□ 태양에너지를 이용해 지속적인 에너지 소비 없이 상온에서 메탄을 화학원료 등으로 널리 쓰이는 유용물질인 메탄올로 바꿀 수 있는 공정이 소개됐다.
○ 메탄은 천연가스와 셰일가스의 주성분이면서 동시에 기후변화를 일으키는 기체로, 메탄을 고부가가치 화학물질로 전환하는 공정은 지속가능한 발전을 위해 필요하다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 문준혁 교수(서강대학교) 연구팀이 전기화학적 촉매를 이용해 상온에서 메탄을 산화하여 메탄올로 전환하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 연구팀은 산화에 사용되는 산소를 저장하고 운반하는 데 유리한 구리산화물과 세륨산화물이 혼합된 전이금속 산화물을 촉매로 이용하고, 산화반응을 촉진할 수 있는 전압을 촉매에 인가하여, 상온에서도 메탄의 전환반응을 유도하였다.
○ 이를 통해 상온에서 기존 화학촉매의 전환율을 넘어서는 메탄-메탄올 전환율과 80%가 넘는 메탄올 선택도를 달성했다.
□ 특히, 연구팀은 전압을 인가하는 데 있어 태양전지를 연결하여 외부전원 공급 없이도 메탄 전환이 가능한 제로에너지 화학공정을 제시하였다.
○ 기존에는 메탄을 산화하기 위해 고온의 촉매반응을 이용했는데, 이 경우 큰 에너지와 대규모 공정이 필요한 것은 물론 다양한 부산물이 생성되는 한계가 있었다.

□ 연구팀은 메탄의 화학적 전환에 있어 굴뚝산업으로 여겨지던 화학공정 대신 지속가능한 친환경 공정으로 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 2월 15일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 서강대학교 문준혁 교수>

논문명
Solar Cell-Powered Electrochemical Methane-to-Methanol Conversion with CuO/CeO2 Catalysts
저널명
ACS Energy Letters
키워드
Methane(메탄), Solar cell(태양전지), 전기화학 촉매 (Electrochemical catalyst)
저 자
문준혁 교수(교신저자/서강대학교), 이재현 박사과정 (제1저자/서강대학교), 양지우 석사과정 (제2저자/서강대학교)

1. 연구의 필요성
○ 용매 및 화학원료로 널리 사용되는 메탄올은 메탄(CH4)을 고온에서 산화 시켜 생성되는 합성가스(syngas)를 이용한 간접적인 방식으로 제조 된다. 그러나 수백℃에 이르는 공정조건으로 인해 막대한 에너지와 대규모의 공정 장비를 필요로 하여 경제성 확보에 어려움이 있다.
○ 메탄-메탄올의 직접적인 전환이 어려운 것은 메탄의 높은 결합 에너지에 기인한다. 메탄의 C-H 결합을 끊고 반응을 일으키기 위해 서는 고온의 촉매반응을 필요로 한다. 고온의 공정조건은 메탄에서 산화된 생성물이 안정하게 존재하지 못하는 문제를 유발한다. 실제로 메탄 전환 반응은 메탄올로의 전환율과 생성물 선택도 (selectivity) 사이에 명확한 상쇄효과(trade-off)를 보여주며, 전환율을 높이기 위해 온도를 높이면 생성물의 선택도가 떨어진다.
○ 따라서 메탄-메탄올의 화학전환에서 전환율과 선택도를 모두 높이기 위해서는 낮은 온도에서 메탄을 활성화하는 기술이 핵심이다. 또한 저온에서 메탄의 활성화는 다양한 화합물로 직접 전환을 가능하게 하는 확장성이 높은 기술이다.

2. 연구내용
○ 본 연구에서는 고온을 이용한 메탄의 전환 대신 전기화학적 산화를 이용하여 메탄 전환 반응을 유도하였다. 촉매에 있어, 산화수 변화가 용이하여 산화에 사용되는 산소를 저장·운반하는데 유리한 전이금속 산화물을 적용하였다. 구체적으로, 구리산화물과 세륨산화물이 혼합된 촉매를 적용하였다.
○ 전기화학적 산화는 촉매에 전압을 가하여 얻었다. 전압의 공급은 태양전지를 적용하였다. 태양전지는 직류 전원이며 일정한 전압이 인가되어야 하는 전기화학반응기에 직접적으로 접목할 수 있다. 본 연구에서는 일반적인 실리콘 태양전지와 전압조절기를 활용하였다.
○ 본 연구에서는 상온에서도 메탄의 메탄올로의 전환을 확인하였다. 동위원소를 이용한 실험을 통해 메탄올을 구성하는 탄소와 산소가 각각 메탄과 촉매표면의 산소로부터 기인함을 확인하였다. 최적 조성의 촉매에서 약 750μmol/gcat/hr의 높은 메탄올 생성 속도를 얻었다.

3. 연구성과/기대효과
○ 과거 메탄을 이용한 메탄올의 생성은 고온 조건이 필요하여 에너지 소모형 공정이었고 경제성도 낮았다. 오랜 세월 동안 다양한 고활성 화학촉매들이 개발되었지만 상온에서의 전환율은 높지 않다.
○ 본 연구에서는 전이금속 산화물 촉매와 전기화학적 반응 원리를 이용 하여 상온에서 전환율 및 선택도가 모두 높은 메탄 전환 공정을 개발 하였다. 특히, 태양전지를 도입하여 추가적인 전원 공급이 필요 없는 제로에너지 화학 공정 개발의 가능성을 제시하였다.

그림 설명

 

 

(그림) 태양전지를 접목한 메탄의 전기화학적 전환 시스템
전해액에 담겨 있는 구리산화물-기반의 촉매 표면에서 메탄이 전기화학적으로 산화되어 메탄올로 전환된다. 이 산화반응은 태양전지에 의해 인가된 포텐셜에 의해 상온에서도 효율적으로 일어난다.
그림 및 그림설명 제공 : 서강대학교 문준혁 교수

(사진) 왼쪽부터 이재현 연구원, 양지우 연구원

연구 이야기

<작성 : 서강대학교 문준혁 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

메탄을 개질(reforming)하는 기술의 역사는 100년 가까이 되지만 높은 경제성의 공정은 아직 확보되지 않았습니다. 메탄은 높은 결합에너지를 갖는 안정한 물질이기 때문에 메탄의 화학결합을 끊고 반응을 일으키기 위해서는 고온과 같은 높은 에너지가 필요하게 됩니다. 또한 고온 조건은 생성물을 다시 분해할 수 있기 때문에, 원하는 생성물을 높은 선택도로 얻기 어렵게 만듭니다. 따라서 상온과 같은 낮은 온도에서 메탄을 전환하는 기술을 고민하게 되었고, 많은 연구진들의 높은 활성의 촉매를 개발하는 방향 대신, 열에너지를 대체하는 다른 에너지원을 적용하는 기술을 시도하게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

전기화학적 산화를 일으킬 수 있는 촉매전극으로 혼합 전이금속 산화물을 합성하고, 태양전지를 접목하여 촉매전극에 포텐셜을 인가할 수 있는 반응시스템을 구현했습니다. 전이금속산화물 촉매의 조성을 제어하여, 가장 높은 전환율의 메탄-메탄올 전환이 가능한 최적 촉매 조성을 확인했습니다. 전환 반응의 메커니즘을 확인하기 위해 동위원소 실험을 수행했습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

태양전지를 이용하여 ‘제로에너지’ 시스템으로 메탄을 전환하는 화학반응 시스템을 제시하였습니다. 또한 메탄의 전기화학적 산화에 높은 활성을 갖는 전이금속산화물 촉매를 이용하여, 화학촉매를 능가하는 전환율을 달성했습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이 기술은 기후변화 물질인 메탄을 줄이며 동시에 고부가가치 화학물질로 전환하는 친환경 화학공정의 전형이 될 것으로 기대합니다.