수소, 합성 가스 연료 원료를 효과적으로 생산하는 새로운 재료와 기술

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-22

미국 노스캐롤라이나 대학 화학공학과 소속의 연구진은 메탄(methane)과 물(water)을 수소(hydrogen)와 태양 발전의 도움을 빌어 합성가스(syngas)라고 불리는 연료 원료로 전환시키는 새로운 촉매를 사용하는 기술을 개발했다. 촉매 재료는 물을 수소 기체로 전환하는데 적용되는 기존의 열적 물 분해(thermal water-splitting) 방법보다 3배 이상 우수한 효율성을 보여주었다. 연구진이 제안한 새로운 방안은 물, 저렴한 천연가스 및 청정하고 재생 가능한 태양 에너지를 귀중한 합성가스와 수소 연료로 전환시킬 수 있기 때문에, 새로운 재료와 공정에 대하여 흥분했다고 관련 연구를 기술한 두 개의 논문의 공동 저자이며 노스캐롤라이나 대학 소속의 Fanxing Li 교수 실험실의 박사 과정 학생인 Feng He는 밝혔다. 수소는 청정에너지의 중요한 공급원이 될 수 있으며, 수소 기체를 생산하기 위한 가장 청정한 방안은 물을 수소와 산소로 분해하는 것이다. 따라서 과학자들은 비용 효율적인 물 분해 기술을 개발하는 데 매진해왔다. 합성가스는 일산화탄소와 수소의 혼합물로 합성 디젤 연료, 올레핀 및 메탄올 등을 생산하는 상용 공정의 원료로 사용된다. 새로운 기술은 산화철(iron oxide)과 LSF(lanthanum strontium iron oxide)의 복합 재료로 이루어진 촉매 재료에 좌우된다. 연구진은 산화철이 열적 물 분해(thermal water splitting)를 위한 촉매로 사용될 수 있다고 오랫동안 알려져 왔지만, 이 재료가 효율성이 떨어진다고 지적했다. LSF의 추가는 산화철의 활성을 상당히 개선하여, 이러한 촉매를 훨씬 더 효율적으로 만들어준다. 새로운 복합재료를 이용하여, 연구진은 증기 형태로 사용한 물의 77%를 수소로 전환할 수 있었다. 열적 물 분해에 대한 이전의 방법에 대한 최적의 전환 효율은 약 20%를 기록했다. 연구진은 이 기술의 상업적 이용이 태양 에너지와 국내 천연가스의 효율적인 이용을 촉진할 수 있으며, 탄소 배출을 상대적으로 줄이는 동시에, 액체 수송 연료를 만들 수 있을 뿐 아니라, 저렴한 비용의 순도가 높은 수소를 생산할 수 있다고 He는 밝혔다. 대체로, 이 논문에서는 새로운 기술이 어떻게 작용하는지를 다루었다. 메탄은 태양 에너지로 가열된 반응기로 투입된다. 이러한 챔버는 메탄과 반응하여 합성가스와 이산화탄소를 생산하는 촉매 복합재료를 포함하고 있다. 이러한 공정은 복합재료 입자를 환원시키고, 산소를 떼어낸다. 합성가스는 시스템으로부터 제거되고, 환원된 복합재료 입자는 두 번째 반응기로 방향을 바꾼다. 이후 고온 스팀이 두 번째 반응기로 펌프를 이용하여 주입된다. 두 번째 반응기에서 스팀은 환원된 복합재료 입자와 반응하여 최소한 97%의 순도로 수소 기체를 생성한다. 또 이 공정은 복합재료 입자에 산소를 다시 공급하여, 이후 메탄과 다시 사용될 수 있으며, 반복되는 주기를 개시한다. 초기에, 스팀은 외부 에너지 공급원을 생산해야만 하지만, 일단 주기가 시작되면 외부 열 공급원 없이 물을 스팀으로 전환시키기 충분한 열을 생산하는 화학 반응에 의해 개시된다. 연구진은 촉매 입자를 생성했으며, 이러한 공정의 모든 단계를 수행했을 뿐 아니라 분리된 배치에서 수행했다고 He는 밝혔다. 현재 연구진은 실생활 조건에서 연속적인 모드에서 이러한 전체 주기를 운영하기 위한 순환 베드 반응기를 구축하는 공정을 추진하고 있다. 다음 단계는 보다 더 우수하고 저렴한 촉매 화합물을 만들기 위하여 미세한 조정을 가하여 전체 공정을 개선하고 보다 더 우수한 반응기를 개발하는 것 등을 포함한다고 He는 밝혔다. 관련 연구는 영국 왕립 화학회(Royal Society of Chemistry)의 Energy & Environmental Science 저널에 두 개의 논문으로 발표됐다. 관련 논문의 제목은 “이례적인 전환을 가능하게 하는 하이브리드 물 분해와 합성가스 생성을 위하여 산화철을 촉진하는 페로브스카이트 (Perovskite promoted iron oxide for hybrid water-splitting and syngas generation with exceptional conversion)”와 “액체 연료와 수소 공동 생산을 위한 하이브리드 태양-산화환원 계획(A hybrid solar-redox scheme for liquid fuel and hydrogen coproduction)” 등이다. 그림1> 액체 연료와 수소를 생산하기 위한 하이브리드 공정의 모식도 그림2> 하이브리드 공정을 위한 순환 베드 반응기 3010902_nanowerk_20150120_fig1.jpg 3010902_nanowerk_20150120_fig2.jpg http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=38689.php