김원배 교수

【포항】공장 굴뚝에서 배출되는 이산화탄소 배출량을 현장에서 바로 줄일 수 있는 촉매제를 국내 연구진이 개발했다.

포스텍은 28일 화학공학과 김원배 교수, 통합과정 박성민씨 연구팀이 황화수소가 포함된 이산화탄소에서 효율적인 환원이 가능한 고체산화물 전해전지용 전극 촉매 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구는 재료 분야에서 권위 있는 영국 왕립화학회의 국제 학술지인 ‘재료화학A 학술지(Journal of Materials Chemistry A)’표지 논문으로 실렸다.

지금까지 이산화탄소를 분해하기 위해서는 고체산화물 연료전지의 역반응을 이용한 전해 전지를 주로 사용했다. 고체산화물 전해전지를 이용한 전기분해는 물과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 변환할 수 있으며, 추가적인 공정 없이 바로 합성가스를 만들 수 있는 장점이 있다.

하지만 발전소나 제철소 등 산업 현장에서 배출되는 이산화탄소를 처리하기 위해서는 배출가스에 포함된 황화수소 등 불순물에 대한 내성이 필요하며, 기존 고체 산화물 전해 전지의 연료극으로 주로 사용된 니켈 기반의 소재는 황화수소에 매우 취약했다.

황화합물이 포함된 이산화탄소 전기분해를 위한 고체산화물 전해전지(SOEC) 적용 개념도<포스텍 제공>

연구팀은 금속 나노입자가 층상구조 페로브스카이트 소재 표면에 자발적으로 형성되는 용출(exsolution) 현상에 착안했다. 용출 현상은 금속 혼합물 따위를 가열하면 그 성분이 분리되는 현상을 말한다. 페로브스카이트 소재가 니켈 등 금속 기반 소재보다 성능이 낮지만, 황화수소에 내성이 강하다는 특성을 이용한 것이다.

고체산화물 전해전지가 작동하면 표면에 형성된 코발트-니켈 합금 나노입자 촉매가 이산화탄소 전기분해 반응을 촉진해 페로브스카이트의 낮은 성능 문제를 극복했다고 연구팀은 설명했다. 또한 층상구조 페로브스카이트는 황화수소가 표면에 흡착 및 반응하는 것도 억제해 전극의 안정성을 높여준다고 덧붙였다.

이렇게 개발된 소재를 사용한 고체 산화물 전해 전지는 하루에 1㎠ 면적당 이산화탄소 약 7.1ℓ를 전기 분해해 일산화탄소를 생산할 수 있다. 황화수소가 포함된 이산화탄소에서도 90시간 동안 탄소 침적과 열화 없이 안정된 전기분해 성능을 나타냈다.

김원배 교수는 “층상구조 페로브스카이트 표면에 자발적으로 형성된 코발트-니켈 합금 나노입자 촉매를 통해 기존보다 전기분해 성능을 향상시켰다”며 “이 기술이 상용화된다면 발전소나 제철소 등 실제 산업 현장에서 배출되는 황화수소가 포함된 배기가스 내 이산화탄소를 직접 처리하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

김기태기자 ktk@yeongnam.com

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