고려대, 온실가스를 에너지로... 메탄을 에탄올로 바꾸는 촉매 기술 개발

국립타이완대와 공동연구, 온실가스 저감 및 탄소중립 실현에 한 걸음

△ 연구팀이 개발한 고엔트로피 산화물 촉매를 이용한 메탄 산화 반응 개념도

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀이 국립타이완대학교 보이 유(Bor-Yih Yu) 교수 연구팀과 함께, 상온에서 메탄을 선택적으로 에탄올로 전환하는 고성능 전기화학 촉매 시스템을 개발했다.

이번 연구 결과는 재료·에너지 분야에서 귄위있는 학술지 ‘Advanced Materials (IF:27.4)’에 지난 23일 정식 출판됐으며, 저널의 Front Cover(Inside) 논문으로도 선정됐다.

*논문명: Co-Enriched High Entropy Oxides for Efficient Continuous Electrochemical Methane Conversion: Catalytic Performance and Sustainability Insights

*DOI: 10.1002/adma.202418767

*URL: https://doi.org/10.1002/adma.202418767

연구팀은 여러 금속 원소로 구성된 고엔트로피 산화물(High Entropy Oxide, HEO)을 활용해, 메탄을 더욱 효율적으로 활성화할 수 있는 촉매 구조를 설계했다. 이 촉매는 코발트(Co)를 선택적으로 많이 포함하고 있어, 코발트(Co) 중심의 단일원자 활성을 유도한다. 이를 통해 기존보다 정밀한 메탄 전환 제어와 높은 활성도를 확보할 수 있다는 것이 특징이다.

*코발트(Co): 전기화학 반응에서 촉매로 활용되며 높은 전도성과 안정성을 지는 금속 원소

*메탄(CH4): 대표적인 온실가스로, 대기 중 이산화탄소보다 약 25배 높은 온실 효과 유발

연구팀은 이 촉매를 유동식 전기화학 셀(flow cell)에 적용해, 연속 반응 조건에서 약 26mmol/gcat/h 수준의 에탄올 생산 속도를 달성했다. 이에 더해, 100시간 이상의 장기 실험에서도 결정 구조와 금속 산화 상태가 안정적으로 유지되면서 높은 내구성을 입증했다.

*유동식 전기화학 셀: 반응 물질이 셀 내부를 흐르면서 연속적으로 반응이 일어나는 전기화학 반응장치

연구팀은 공정 모의실험을 통해 기술의 실현 가능성도 검토했다. 기술경제성 분석(TEA)에서는 전해조 단가와 전력 비용이 약 25% 절감될 경우, 생산 단가를 낮출 수 있음을 확인했다. 또한, 생애주기환경평가(LCA)에서는 기존 바이오 및 석유 기반 에탄올 생산 공정보다 탄소 배출량이 최대 90%까지 줄어드는 효과가 나타났다.

*기술경제성 분석(TEA): 기술이 상용화 될 경우 발생할 수 있는 비용, 수익성 등을 분석하는 기법

*전해조: 전기 분해를 할 때 전극과 전해액을 담는 용기

*생애주기환경평가(LCA): 생산부터 폐기까지, 전 과정에서 환경에 미치는 영향을 평가하는 분석법

문준혁 교수는 “본 연구 결과는 고엔트로피 소재 내부에 단일원자 활성점을 성공적으로 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이러한 접근은 메탄 전환뿐 아니라 다양한 연료 전환 및 산화 반응에도 확대 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 본 기술은 온실가스를 유용한 자원으로 활용할 수 있는 실마리를 제공한다. 이를 통해 지속 가능한 에너지 전환과 탄소중립 실현에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 중견연구사업, C1가스 리파이너리 밸류업 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

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△ [그림 1] 설명: 고려대 화공생명공학과 문준혁 교수(교신 저자), 고려대 민희원 석박사통합과정(공동 제1저자), 고려대 김철호 박사(공동 제1저자), 고려대 최지윤 석박사통합과정, 고려대 심윤정 석사과정