- Zr의 도핑으로 구조체 촉매의 산소저장능 조절 성공

▲폐기물 수소화 공정용 촉매의 Zr 도핑량 증가에 따른 산소 저장능 증진

폐기물 수소화 공정 내 수성가스전이 반응용 고성능/장수명 촉매의 개발을 위해, 수열합성법으로 제조된 Co계 구조체 촉매에 적은 양의 Zr를 체계적으로 도핑하여 입방 구조를 유지하면서 촉매의 주요 특성인 산소저장능을 조절하였다. Zr 도핑량에 따라 각각 CCC 촉매 (Zr 0 wt.%), CCCZ-1 촉매 (Zr 0.22 wt.%), CCCZ-2 촉매 (Zr 1.86 wt.%), CCCZ-3 촉매 (Zr 7.01 wt.%)로 명명하였다. 

국내 연구진이 폐기물을 이용해 고순도 청정 수소를 생산하는 공정의 핵심인 수성가스전이 반응(합성가스 내 CO를 분리가 용이한 CO2로 전환함과 동시에 추가적인 H2를 생산하는 반응) 효율을 높일 촉매를 개발해  환경과 에너지 위기 대응에 청신호를 켰다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 노현석 교수(연세대학교), 이규복 교수(충남대학교), 이열림 교수(계명대학교) 공동연구팀이 지르코늄(Zr) 도핑(의도적으로 불순물을 첨가함으로써 물질의 특성을 조절하는 것)을 통해 촉매의 성능을 결정짓는 주요 특성이 체계적으로 조절된 폐기물 수소화 공정용 촉매를 개발했다고 밝혔다. 

폐기물 수소화 기술은 환경을 보호하고 청정에너지원인 수소를  생산하는 유망기술로 주목받고 있다. 수성가스전이 반응 공정용 촉매는 수소 생산 효율을 결정하는 핵심 기술이다. 

하지만 기존의 Fe계 상용 촉매는 천연가스 유래 합성가스 조건에 맞춰 개발되어 그보다 Co 농도가 높은 폐기물 유래 합성가스에 활용 시 급격한 촉매 비활성화가 발생할 수 있다. 이에 공동연구팀은 폐기물을 이용한 수소 생산의 효율을 높일  고성능/장수명 수성가스전이 반응용 촉매의 개발에 나섰다. 

공동 연구팀은 수열합성법(고압과 뜨거운 물에서 광물 용해도에 의존하는 단결정 합성 방법)으로 제조된 Co계 구조체 촉매에 적은 양의 Zr를 0, 0.22, 1.86, 7.01 순으로 도핑하여 입방 구조(단위세포 중심에 하나의 입자가 위치하고 육면체의 각 꼭짓점에 입자가 하나씩 위치한 모양)를 유지하면서 촉매의 주요 특성인 산소저장능을 체계적으로 조절하였다. 

Zr의 도핑을 통해 체계적으로 조절된 촉매의 산소저장능은 산화-환원 기작에 의해 촉매 격자 내 산소를 저장·배출하는 능력으로촉매의 초기 반응 활성뿐만 아니라 안정성에 큰 영향을 미친다.

Co계 입방 촉매에 Zr를 체계적으로 도핑한 결과 Zr 도핑량이   가장 낮은 촉매(Zr 0.22)가 가장 높은 초기 반응 활성을 나타냈으며, Zr 도핑량이 가장 높은 촉매(Zr 7.01)는 가장 우수한 안정성을 나타내었다. 

공동 교신저자인 노현석, 이규복, 이열림 교수는 “연구를 통해 개발된 구조체 촉매의 Zr 도핑 전략은 폐기물 수소화 공정뿐만 아니라 환경 및 산업응용 전 분야에서 활용되는 촉매의 주요 성능을 향상하는 데 활용될 수 있다”라고 연구의 의의를 설명하였다. 또한“이를 기반으로 폐기물로부터 고순도 청정 수소의 생산을 통한 탄소 중립의 실현뿐만 아니라 자원·에너지 안보 확립과 에너지 신산업 창출이 가능할 것”이라고 기대를 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 및 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)’에 9월 1일 게재되었다.