서강대학교 문준혁 교수 - 햇빛 이용한 제로에너지 메탄올 합성 공정
서강대학교 문준혁 교수 - 햇빛 이용한 제로에너지 메탄올 합성 공정
  • 한국연구저널
  • 승인 2021.08.13 14:40
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 ■ 태양전지를 접목한 메탄의 전기화학적 전환 시스템 ■
전해액에 담겨 있는 구리산화물-기반의 촉매 표면에서 메탄이 전기화학적으로 산화되어 메탄올로 전환된다. 이 산화반응은 태양전지에 의해 인가된 포텐셜에 의해 상온에서도 효율적으로 일어난다. [그림 및 그림설명 제공 : 서강대학교 문준혁 교수]

태양에너지를 이용해 지속적인 에너지 소비 없이 상온에서 메탄을 화학원료 등으로 널리 쓰이는 유용물질인 메탄올로 바꿀 수 있는 공정이 있다.

 

그간 용매 및 화학원료로 널리 사용되는 메탄올은 메탄(CH4)을 고온에서 산화시켜 생성되는 합성가스(syngas)를 이용한 간접적인 방식으로 제조된다. 그러나 수백에 이르는 공정조건으로 인해 막대한 에너지와 대규모의 공정 장비를 필요로 하여 경제성 확보에 어려움이 있다.

메탄-메탄올의 직접적인 전환이 어려운 것은 메탄의 높은 결합 에너지에 기인한다. 메탄의 C-H 결합을 끊고 반응을 일으키기 위해에서는 고온의 촉매반응이 필요하다. 고온의 공정조건은 메탄에서 산화된 생성물이 안정하게 존재하지 못하는 문제를 유발한다. 실제로 메탄 전환 반응은 메탄올로의 전환율과 생성물 선택도 (selectivity) 사이에 명확한 상쇄효과(trade-off)를 보여주며, 전환율을 높이기 위해 온도를 높이면 생성물의 선택도가 떨어진다.

따라서 메탄-메탄올의 화학전환에서 전환율과 선택도를 모두 높이기 위해서는 낮은 온도에서 메탄을 활성화하는 기술이 핵심이다. 또한, 저온에서 메탄의 활성화는 다양한 화합물로 직접 전환을 가능하게 하는 확장성이 높은 기술이다.

 

왼쪽부터 이재현 연구원, 양지우 연구원 [사진제공 : 서강대학교 문준혁 교수]
왼쪽부터 이재현 연구원, 양지우 연구원 [사진제공 : 서강대학교 문준혁 교수]

이에 지난 2월 문준혁 교수(서강대학교) 연구팀은 전기화학적 촉매를 이용해 상온에서 메탄을 산화하여 메탄올로 전환하는 기술을 개발했다.

연구팀은 산화에 사용되는 산소를 저장하고 운반하는 데 유리한 구리산화물과 세륨산화물이 혼합된 전이금속 산화물을 촉매로 이용하고, 산화 반응을 촉진할 수 있는 전압을 촉매에 인가하여, 상온에서도 메탄의 전환 반응을 유도하였다이를 통해 상온에서 기존 화학 촉매의 전환율을 넘어서는 메탄-메탄올 전환율과 80%가 넘는 메탄올 선택도를 달성했다.

특히, 전압을 인가하는 데 있어 태양전지를 연결하여 외부전원 공급 없이도 메탄 전환이 가능한 제로에너지 화학공정을 제시하였다.

기존에는 메탄을 산화하기 위해 고온의 촉매반응을 이용했는데, 이 경우 큰 에너지와 대규모 공정이 필요한 것은 물론 다양한 부산물이 생성되는 한계가 있었다.

 

해당 연구성과는 태양전지를 이용하여 제로에너지시스템으로 메탄을 전환하는 화학반응 시스템을 제시한 것으로 메탄의 전기화학적 산화에 높은 활성을 갖는 전이금속산화물 촉매를 이용하여, 화학촉매를 능가하는 전환율을 달성해낸 것이다. 더불어 연구팀은 향후 연구성과가 실용화된다면 메탄의 화학적 전환에 있어 굴뚝 산업으로 여겨지던 화학공정 대신 지속가능한 친환경 공정으로 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

해당 연구성과는 지난 2월 에너지 분야 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재되었다.

 


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