보도자료

[2023.2.9.] 연세대학교 노현석 교수팀, 분산형 수소 연료전지 발전 시스템 보급 가속화를 위한 핵심 공정용 촉매의 반응 기작 규명 2023.02.09

환경에너지공학과 연구실

연세대학교 노현석 교수팀,

분산형 수소 연료전지 발전 시스템 보급 가속화를 위한 핵심 공정용 촉매의 반응 기작 규명

- 수성가스전이 반응용 Cu-ZnO-Al2O3 촉매의 주요 활성점 특정 및 구조 민감성 규명 -

- 블루 수소 생산 시스템 효율 상승에 기여 가능한 원천 기술 확보 -

- 환경공학 분야 JCR rank 1위 Applied Catalysis B: Environmental (IF 24.319) 誌 Online 게재 -

노현석 교수

(연세대학교)

장원준 교수

(경남대학교)

안선용 연구원

(연세대학교)

ㅇ 연세대학교 노현석 교수(환경에너지공학부) 연구팀은 경남대학교 장원준 교수(환경에너지공학과) 연구팀과 공동 연구를 통해 고효율 수소 생산 공정의 핵심 단위 공정인 수성가스전이 반응에 적용되는 Cu-ZnO-Al2O3 촉매의 활성점을 특정하고, 각 활성점의 역할 및 구조 민감성을 규명해 내는데 성공하였다.

COVID-19로 인한 경기 침체는 에너지 관련 환경 문제의 심각성을 증폭시켰다. 이에 대한 반등 동력으로 석탄 기반 연료를 활용함과 동시에 산업의 회복과 운송 수요가 증가함에 따라 연간 CO2 배출량이 급격히 증가했다. 이러한 상황을 극복하기 위해 전기화, 탈탄소화, 지속 가능한 에너지 자원 및 CO2 포집, 활용 및 저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage)과 같은 기술 진보에 힘입어 통합적 접근 방식에 의한 에너지/환경 문제의 해결이 주요 과제로 부상하고 있다.

수소는 지속가능하고 청정한 에너지 중 유력한 후보로 수소 생산 공정에 CCUS를 도입할 경우, 궁극적으로 에너지 및 환경 문제의 동시 해결이 가능하다. 수성가스전이(WGS, Water-gas shift) 공정은 수소 생산 공정의 핵심 단위 공정으로, CCUS 접목에 앞서 수소 생산 수율을 증진시키기 위해 공정 효율의 상승이 필수적이다. 따라서, 현재 적용되는 상용 촉매의 정확한 활성종 및 반응 기작의 규명을 통해 고활성/내구성의 촉매 개발에 요구되는 핵심 영향 인자의 파악이 필요하다. 그러나, 상용 Cu-ZnO-Al2O3 촉매는 열과 반응 조건에 민감하여 반응 중의 활성점 및 정확한 반응 기작의 규명이 필수 해결 과제로 남아 있다.

노현석 교수 연구팀은 다양한 Cu 함량으로 촉매를 공침법으로 합성하고, 반응 조건 변경 및 특성 분석 결과와의 상관관계 해석을 통해 해당 촉매의 WGS에 대한 주요 활성점 및 구조 민감성을 규명해 내었다. WGS 활성에 영향을 주는 주요 요인은 Cu 함량에 의해 영향 받는 활성점(0가 Cu, 1가 Cu)의 수로 밝혀졌다. 또한, 전환 빈도는 Cu 분산도에 의존하지 않고 일정한 값을 나타내어, 해당 촉매가 WGS 반응에 대해 구조 비민감성임을 규명해 내는데 성공하였다. 또한, 총 활성점의 수가 임계점을 초과할 경우, 1가 Cu의 수가 0가 Cu의 수 보다 활성 및 안정성에 기여하여 활성점의 종류에 따라 상이한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다.

WGS 반응은 0가 Cu와 1가 Cu 사이의 환원 순환 작용을 통해 일어난다. 여기서 1가 Cu는 화학흡착된 CO를 CO2로 산화시킴에 따라 0가 Cu로 전환된다. 이어서, 전환된 0가 Cu는 수증기에 의해 재산화하여 수소를 생산하고 1가 Cu로 돌아간다. 따라서, 1가 Cu는 0가 Cu를 보조 및 보호하는 역할을 하여 소결에 대한 저항성을 제공하고 활성 및 안정성을 향상시키는 역할을 한다.

노현석 교수는 “열 및 반응 조건에 민감한 WGS 상용 촉매의 반응 활성종 특정 및 반응 기작을 명확히 규명함으로써, 금속 성분 소결로 대표되는 구리계 촉매의 문제를 극복한 신촉매 개발에 기여할 수 있으며, 해당 촉매는 WGS 이외에 암모니아 생산 및 CO2 전환 공정에도 널리 활용되는 촉매로 본 연구 결과를 바탕으로 각 공정에서의 주요 영향 인자를 조절함으로써 다양한 공정용 촉매의 다각적인 성능 향상이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 최적 Cu 담지량 도출에 따라 촉매 대량 생산 및 국내 원천 기술 확보에 필수적으로 고려되어야 하는 원료 물질에 의한 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.”고 연구의 의의를 전했다.

본 연구 결과는 환경공학 분야 최고 권위지인 Applied Catalysis B:Environmental (IF 24.319, JCR rank 상위 2%)에 2022년 12월 22일 온라인 게재되었으며(제1저자: 연세대 안선용 연구원, 교신저자: 연세대 노현석 교수, 경남대 장원준 교수), 한국연구재단 중견연구자지원사업(2020R1A2B5B01002346) 및 기초연구실사업(2022R1A4A1029632)의 지원을 받아 수행됐다.

논문 제목: Unravelling the active sites and structure-activity relationship on Cu–ZnO–Al2O3 based catalysts for water-gas shift reaction

논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122320

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