청정지구 만드는 친환경 ‘그린 나노’ 촉매 기술 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (79)

고부가 화학제품을 만드는 차세대 촉매인 ‘메탈로센’(Metallocene)을 소개한 바 있는데, 이처럼 촉매를 이용해 환경을 지키는 새로운 연구와 기술이 개발되고 있어 소개하고자 합니다.

최근 연이어 최악의 미세먼지와 초미세먼지가 우리의 건강을 위협했었는데요. 촉매 기술을 통해 환경 오염물질을 없애고, 새 원료나 청정 에너지를 생산할 수 있는 기술이 개발되고 있다고 합니다. 미래환경을 생각한 촉매 기술에는 어떤 것들이 있는지 알아보도록 하겠습니다.

◆화학 에너지 핵심기술 촉매

촉매의 사전적인 의미는 ‘자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 매개하여 반응 속도를 빠르게 하거나 늦추는 일 또는 그런 물질’입니다. 화학과 에너지 산업의 핵심 기술이라고 할 수 있지요.

이 촉매 기술을 이용해 미래형 에너지와 깨끗한 공기를 만드는 기술이 개발되고 있는데요. 이것이 바로 ‘그린나노’ 촉매 기술입니다.

◆친환경 그린나노 촉매 기술

이산화탄소는 환경을 위협하는 주요 물질 중 하나인데요, 석유나 석탄 등을 에너지로 사용하기 때문에 발생하는 물질입니다. 그래서 태양광 등 환경을 생각한 신재생 에너지의 개발이 한창인데요. 그린나노 촉매 기술은 환경 오염물질을 배출하지 않으면서 에너지를 생산하고, 환경문제를 일으키는 물질을 없애 깨끗한 공기를 만드는 데 기여할 수 있습니다. 현재 전 세계 기업들과 연구기관에서는 그린나노 촉매 기술을 이용한 다양한 친환경 기술을 개발하고 있는데요, 그 중 몇가지 주목할 만한 기술을 소개하겠습니다.

◆이산화탄소를 석유화학 원료로 바꾸는 기술

이산화탄소는 대기오염과 지구 온난화를 일으키는 주요 원인물질인데요. 나노 촉매 기술을 이용해 이산화탄소를 석유화학 제품으로 탈바꿈시키는 기술이 개발됐습니다. 한국연구재단은 지난 1월 이산화탄소로부터 석유화학 중간체를 생산하는 촉매 기술을 개발했다고 발표했는데요.

이산화탄소로부터 석유화학 중간체를 합성하는 과정. 출처=한국연구재단

이산화탄소를 효율적으로 쓰기 위해서는 최종 산물의 전 단계인 메탄올이나 디메틸에테르 등의 중간체로 전환해야 합니다, 문제는 이를 위해 촉매로 이용되는 금속 나노 입자가 쉽게 비활성화된다는 점입니다. 연구팀은 산화알루미늄과 구리 나노 구조를 합성한 촉매를 개발해 기존 기술보다 효율을 30% 이상 높였는데요. 이 기술을 이용해 이산화탄소도 줄이고 새로운 원료를 생산할 수 있게 되었습니다.

◆친환경 수소연료 만드는 기술

수소 자동차는 전기차와 함께 친환경 미래차로 주목받고 있는데요. 수소차의 핵심 연료인 수소를 친환경적으로 생산할 수 있는 나노 촉매 기술이 개발됐다고 합니다. 한국기초과학지원연구진은 울산과학기술원(UNIST) 교수팀과 공동으로 물을 분해해 수소를 얻을 때 생산 효율을 높일 수 있는 새로운 전극 촉매를 개발했다고 지난해 11월 발표했는데요.

백종범 울산과학기술원(UNIST) 교수팀이 개발한 경제적 물 분해 촉매인 ‘Ru@C₂N’ 구조. 출처=UNIST

물을 전기분해 할 때 필수인 전극 촉매는 대부분 희귀한 금속을 활용해 가격이 비싸고 내구성은 낮은 게 단점이었습니다. 하지만 연구진은 백금-니켈-루테늄을 합성한 새 물질을 개발했습니다. 이 물질은 기존 이리듐-백금 촉매 방식보다 활성도를 15배 높여 수소 생산율을 높이고, 성능 또한 장시간 사용해도 변함없이 유지되는 등 내구성도 확인됐습니다. 이 기술을 이용하면 더 낮은 비용으로 수소를 대량으로 얻을 수 있어 수소차의 대중화에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

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*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.

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