안정적인 LOHC 수소 추출 공정·수소 공급망 구축에 활용 기대
포스텍 연구팀이 액상유기수소운반체(LOHC)에서 수소를 꺼내는 과정에서 촉매 성능을 떨어뜨리는 부산물의 생성 원인을 규명하는데 성공했다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·친환경소재학과 윤창원 교수(왼쪽 사진부터), 서울대 재료공학부 한정우 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 김용민 박사, 화학공학과 한승목 박사, 서울대 재료공학부 박사과정 성기헌 씨. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학공학과·친환경소재학과 윤창원 교수, 화학공학과 한승목 박사 연구팀이 서울대 재료공학부 한정우 교수, 재료공학부 박사과정 성기헌 씨, 한국과학기술연구원(KIST) 김용민 박사 연구팀과 함께 LOHC 수소 추출 과정에서 촉매를 빠르게 열화시키는 부산물의 생성 경로를 규명했다고 7일 밝혔다.
이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 저명 국제학술지 'JACS Au'에 게재됐다.
수소는 탄소중립 시대의 중요한 에너지원으로 꼽히지만 기체 상태로는 부피가 커 저장과 장거리 운송이 쉽지 않다. 해외에서 생산한 청정수소를 국내로 들여오는 경우라면 이 문제는 더욱 중요해진다.
LOHC는 수소를 액체 유기물에 저장시켜 운반한 뒤 필요한 곳에서 꺼내쓰고 수소를 내놓은 액체는 다시 수소를 채워 반복해서 쓸 수 있는 '수소 충전지'와 같은 기술이다.
대표적 LOHC 물질인 '퍼하이드로-모노벤질톨루엔(H12-MBT)'에서 저장된 수소를 꺼낼 때는 백금 촉매를 쓰는데 이 과정에서 촉매 표면에 '코크'라고 불리는 탄소 찌꺼기가 쌓여 반응 초기에 수소 추출 성능이 급격히 떨어진다는 문제가 있다.
연구팀은 촉매 성능이 반응 첫 1시간 이내에 매우 빠르게 떨어진다는 점에 주목하고 그 원인으로 '메틸플루오렌(H0-MF)'이라는 부산물을 지목했다.
실시간 적외선 분광 분석과 반응 후 촉매 탄소량 분석, 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 H0-MF의 특성을 분석한 결과, H0-MF는 정상 생성물(H0-MBT)보다 백금 표면에 훨씬 강하게 달라붙어 잘 탈착되지 않았고 이는 촉매 표면의 코크 축적으로 이어졌다.
주목할 점은 H0-MF가 만들어지는 경로가 기존 통념과 달랐다. 그동안 H0-MF는 수소를 모두 내놓은 H0-MBT가 다시 반응해 만들어지는 것으로 널리 여겨져 왔지만 실험 결과, 수소가 모두 빠지기 전 반응 중간체(H6-MBT)에서 별도의 경로로 만들어진다는 것을 밝혔다.
반응 갈림길을 가른 것은 중간 단계 물질이 촉매의 '어떤 표면에 붙느냐'였다. H6-MBT가 백금 원자가 가지런히 배열된 평평한 표면보다 계단이나 모서리처럼 원자 배열이 불규칙한 곳에 붙으면 H0-MF가 더 쉽게 만들어졌다. 반면 평평한 표면에서는 정상적인 수소 추출 반응이 상대적으로 우세했다.
특히 연구팀은 반응 초기 H0-MF의 양을 촉매 수명을 가늠하는 지표로 제안하고 검증했다. 성질을 달리한 여러 백금 촉매를 같은 조건에서 비교한 결과, 반응 초기 30분 동안 생긴 H0-MF가 적을수록 성능 저하도 작았고 이 관계는 장시간 반응 후에도 그대로 유지됐다. 반응 30분 만에 촉매가 오래 버틸지 가늠할 수 있는 셈이다.
이번 연구는 촉매가 빠르게 성능을 잃는 원인을 미리 파악하고 제어할 수 있는 기준을 제시함으로써 보다 안정적인 LOHC 수소 추출 공정과 수소 공급망 구축에 활용될 것으로 기대된다.
포스텍 윤창원 교수는 "이번 연구에서 원치 않는 부산물의 생성을 줄이기 위해 촉매 표면을 어떻게 설계해야 하는지 구체적인 방향을 제시했다"며 "더 오래 사용할 수 있는 LOHC 수소 추출 촉매를 설계하고 평가하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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