메탄의 이산화탄소 개질 반응에서 Ni의 입자크기에 따른 전환빈도
[대전=일요신문]육심무 기자 = 연세대 노현석 교수 연구팀이 이산화탄소 포집 및 활용이 가능한 고성능 니켈 촉매의 메커니즘을 규명해, 이산화탄소와 메탄 등 기후 변화를 일으키는 주요 온실가스의 자원화 가능성을 확인했다.
대표적인 온실가스인 이산화탄소는 구조적으로 안정되어 있어 화학적 전환이 어렵고, 대부분 고온에서 화학 반응이 진행되는 만큼 촉매의 안전성을 확보하기가 어렵다.
연구팀은 고성능 이산화탄소 개질 반응용 촉매를 개발하기 위해 촉매의 구성물질인 니켈(Ni), 마그네시아(MgO), 세리아(CeO2)와 지르코니아(ZrO2)가 촉매의 성능에 어떤 영향을 미치는지 규명했다.
이들의 구성 비율에 따라 촉매의 특성이 어떻게 달라지는지 메커니즘을 밝힘으로서 경제적이고 안정화된 니켈 촉매 개발의 길을 열었다.
메탄의 이산화탄소 개질 반응에서 Ni의 분산도, 환원도, Ni 활성점과 CH4 및 CO2 전환율과의 상관관계
연구진은 제조한 촉매를 이산화탄소 개질 반응에 적용하여 성능을 비교한 결과, 촉매의 성능에 영향을 미치는 주요 인자는 활성 물질인 니켈(Ni)의 입자 크기라는 사실을 입증하고, 세리아(CeO2)의 함량이 높아질수록 촉매 구성 물질 간의 상호작용이 강화되어 촉매 반응에 유리한 나노 수준의 작은 니켈 입자가 형성된다는 사실도 확인했다.
연구팀은 앞선 연구를 통해 이산화탄소 개질 반응에서 높은 활성을 나타내는 니켈(Ni), 촉매 활성을 증진시키는 세리아(CeO2), 열적 안정성을 가진 지르코니아(ZrO2)로 구성된 촉매를 개발했다.
이후 저렴한 마그네시아(MgO)를 첨가해 경제성을 높이면서도 200시간 이상 높은 활성을 갖는 고성능 촉매를 개발하는 데 성공했다.
노현석 교수
노현석 교수는 “Ni, MgO, CeO2, ZrO2로 구성된 이산화탄소 촉매의 중요 메커니즘을 규명함으로써 이산화탄소 개질 반응을 통해 생산할 수 있는 고부가가치 화학물질 생산 공정의 상용화 가능성을 확인했다”며 “발전소와 제철소 등에서 배출되는 이산화탄소 자원화를 위해 촉매와 반응기 등의 실용화를 위한 연구를 지속적으로 진행할 것”이라고 밝혔다.
이 연구 결과는 그린 케미스트리(Green Chemistry) 3월호에 논문으로 게재되었다. (논문명 : Key properties of Ni-MgO-CeO2, Ni-MgO-ZrO2, and Ni-MgO-Ce(1−x)Zr(x)O2 catalysts for the reforming of methane with carbon dioxide)
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