불순물 섞인 이산화탄소 높은 효율로 분해하는 촉매 개발

2020.01.29 01:40
발전소나 제철소에서 발생하는 불순물 섞인 이산화탄소를 높은 효율로 변환해주는 촉매가 개발됐다. 포스텍 제공
발전소나 제철소에서 발생하는 불순물 섞인 이산화탄소를 높은 효율로 변환해주는 촉매가 개발됐다. 포스텍 제공

발전소나 제철소에서 발생하는 불순물 섞인 이산화탄소를 높은 효율로 분해할 수 있는 촉매가 개발됐다.

 

김원배 포스텍 화학공학과 교수와 박성민 석박사통합과정생 연구팀은 황화수소가 포함된 이산화탄소를 효율적으로 환원하는 고체산화물 전해전지용 전극 촉매 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.

 

이산화탄소를 분해하는 데는 물과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 변환하는 고체산화물 연료전지의 역반응이 이용된다. 이 방법은 추가적인 공정 없이도 합성가스를 만들 수 있어 주목받아 왔다. 하지만 발전소나 제철소에서 쓰려면 배출가스 속 황화수소와 같은 불순물에 대한 내성이 필요했다. 고체산화물 전해전지의 연료극으로 쓰인 니켈 기반 소재는 황화수소에 취약한 점이 한계였다.

 

연구팀은 촉매로 쓰일 금속 나노입자가 층층이 쌓은 페로브스카이트 소재 표면에 스스로 만들어지는 ‘용출’ 현상을 활용했다. 페로브스카이트 소재는 니켈과 같은 금속 기반 소재보다는 성능은 떨어지나 황화수소에 내성이 강하다. 연구팀은 표면의 코발트와 니켈 합금 나노입자 촉매가 이산화탄소 전기분해 효율을 끌어올리면서 페로브스카이트는 황화수소가 표면에 달라붙어 반응하는 것을 막는 구조를 개발했다.

 

이렇게 개발된 고체산화물 전지는 하루에 1㎠ 면적당 이산화탄소 7.1L를 분해해 일산화탄소로 변환했다. 황화수소가 섞인 이산화탄소를 넣어도 90시간 동안 탄소가 쌓이거나 열로 망가지는 일 없이 안정적인 전기분해 성능을 나타냈다.

 

김 교수는 “층상구조 페로브스카이트 표면에 스스로 형성된 코발트 니켈 합금 나노입자 촉매를 통해 전기분해 성능을 향상시켰다”며 “기술이 상용화되면 발전소나 제철소 등 실제 산업 현장에서 배출되는 황화수소가 포함된 배기가스 내 이산화탄소를 직접 처리하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 

연구결과는 국제학술지 ‘재료화학A 학술지’ 1월호 표지논문으로 실렸다.

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