이산화탄소를 천연가스 주 성분인 메탄으로 바꾸는 반응은 대개 300~500℃ 고온에서만 가능한 고비용 공정이다. 그런데 상온에서도 메탄이 나오는 신기술이 나왔다. 원료를 넣고 쇠구슬만 굴리면 된다. 이 기술은 나노분야 최고권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 지난 5일 공개됐다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수팀은 65℃에서 높은 효율로 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)으로 바꿀 수 있는 기계화학 공정 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 고온 공정보다 훨씬 간단하고 에너지 소비도 낮아 탄소중립 시대를 앞당길 기술로 주목받고 있다.
개발한 기술은 직경 수 밀리미터의 작은 쇠구슬이 들어 있는 볼(ball mill) 장치에 촉매와 원료를 넣고 돌리는 방식이다. 반복되는 충돌과 마찰로 촉매 표면이 활성화되면서 이산화탄소가 촉매 표면에 효율적으로 포집되고, 수소와 반응해 메탄으로 바뀐다.
연구팀은 65℃의 낮은 온도에서도 이산화탄소의 99.2%를 반응시키는 데 성공했고, 이렇게 반응한 이산화탄소 중 98.8%가 부산물이 아닌 메탄으로 전환됐다. 또 연속공정에서도 높은 효율을 보였다. 상온보다 낮은 15℃에서도 이산화탄소 반응 참여율 81.4%, 메탄 선택도 98.8%를 유지했는데, 이는 상용화 가능성을 입증한 결과다. 연속공정은 반응이 완전히 끝나기를 기다리는 배치(batch) 방식과 달리 원료를 지속적으로 주입하고 생성물을 계속 배출하는 방식으로 산업용 대량 생산에 적합하다.
공정에서 사용된 니켈과 산화지르코늄(ZrO2) 촉매는 상용 촉매로 가격도 저렴하다. 니켈은 수소를 쪼개고, 산화지르코늄은 이산화탄소를 수소와 반응할 수 있는 활성상태로 바꾸는 역할을 한다. 볼밀 내 쇠구슬의 충격과 마찰로 산화지르코늄의 산소가 떨어져 나가면(vacancy), 그 자리에 이산화탄소가 붙잡히게 되고, 이렇게 활성화된 이산화탄소가 니켈이 쪼개준 수소와 반응해 메탄으로 전환되는 원리다.
경제성 분석결과, 반응온도가 낮고 상용 촉매를 별도 전처리 없이 사용할 수 있어 공정장비 비용 등을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
임한권 교수는 “전체 비용의 대부분을 차지하는 전력 소비는 풍력이나 태양광 같은 재생에너지와 연계하면 열화학 반응 대비 절반 수준으로 낮출 수 있다”고 설명했다.
백종범 교수는 “기존의 고온 고압 장비 없이도 현장에서 이산화탄소를 바로 연료로 바꿀 수 있어, 탄소 배출 저감은 물론 장비 투자와 운송 비용까지 줄일 수 있다”며 “탄소중립 달성을 위한 신기술이 될 수 있을 것”이라고 강조했다.
이번 연구는 중국 과학기술대학(USTC)의 췬시앙 리(Qunxiang Li)교수와 함께 했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 UNIST 탄소중립실증화연구센터의 지원을 받아 이뤄졌다.
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