【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 석유화학산업이 발달한 울산처럼 질소산화물과 같은 대기오염물질이 많은 지역의 공기질 개선에 획기적인 방법이 울산과학기술원(UNIST) 연구진에 의해 개발됐다. 질소산화물은 공장 굴뚝, 자동차, 선박 등 연료를 태우는 곳이면 어디서든 나오는 대기오염물질이다. 태우는 연료 종류, 장비 운전 조건에 따라 배출되는 질소산화물의 온도가 제각각인데, 이러한 변화에도 꾸준히 질소산화물을 제거할 수 있는 새 촉매가 나왔다. 유니스트(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수팀은 한국생산기술연구원 울산기술실용화본부 김홍대 박사팀과 함께 240~400 ℃의 넓은 온도 범위에서 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있는 탈질 촉매를 개발했다고 17일 밝혔다. 대기 중에 배출된 질소산화물은 미세먼지, 오존 오염, 산성비의 원인이 된다. 선택적 촉매 환원(SCR) 방식을 통해 질소산화물을 무해한 질소로 바꾸고 있지만, 상용 바나듐-텅스텐 촉매가 주로 350 ℃에서만 고효율을 내는 탓에 온도 변화가 심한 실제 현장에서는 성능이 급격히 떨어진다는 한계가 있었다. 반면 연구팀이 개발한 촉매는 240 ℃에서 질소산화물 제거 효율이 93.6%에 달하고, 고온 영역에서도 97% 이상의 전환 효율을 안정적으로 유지한다. 상용 SCR 촉매는 240 ℃에서 효율이 62.4% 수준에 그친다. 또 질소산화물의 97% 이상이 질소(N₂)로 전환됐으며, 온실가스인 아산화질소(N₂O) 등 부반응 부산물 생성도 거의 없었다. 촉매 수명도 개선됐다. 연구팀은 가루 촉매를 실제 산업 현장에서 쓰는 덩어리 형태로 뭉쳐 상용화를 위한 성능도 검증했다. 촉매는 가루 상태일 때 반응성이 가장 뛰어났다. 하지만 실제 공장 등에서는 분진과 압력 손실 등의 문제로 가루형 촉매를 사용할 수 없다. 벌집 구조(monolith)로 뭉쳐진 이 촉매는 빠르게 가스가 흐르는 20 L/min 조건에서 초당 수십 마이크로그램의 NO를 안정적으로 처리하는 성능을 보였다. 조승호 교수는 “이 촉매는 작동 온도 범위가 넓어, 공장·자동차·선박 등 다양한 배출원에서 나오는 대기오염물질인 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있다”라며, “촉매의 독성을 유발하고 값이 비싼 바나듐 함량도 줄여 산업 환경의 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다. 환경부에 따르면 굴뚝 원격감시체계(TMS)로 실시간 관리되는 울산지역 대형사업장 96곳의 올해 대기오염물질 배출량은 전년보다 6.8% 증가한 것으로 나타났다.  대기환경 관리대상물질은 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 먼지, 미세먼지(PM-10), 초미세먼지(PM-2.5), 오존(O₃) 등이다. 이 가운데 울산지역 발생 질소산화물은 오는 2029년에 부산, 대구 등 동남권 대도시 중 가장 많은 6만 7000t에 이를 것으로 예상되고 있다.  한편 이번 연구는 환경공학 분야에서 가장 영향력 지수가 높은 국제 학술지인 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’에 6월 12일 온라인 공개됐다. 이명진 졸업생이 제1 저자로 참여하였다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 수소를 생산하기 위한 차세대 전기화학 촉매 개발에 중요한 전환점을 제시하는 연구 결과가 발표됐다. 17일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 GIST 화학과 서준혁 교수 연구팀은 텅스텐(W) 금속에 디티올렌(dithiolene)이라는 독특한 리간드(ligand) 분자가 결합된 착화합물을 이용해, ‘수소 결합’이 수소 발생 반응을 어떻게 도울 수 있는지 입증했다. 이번 연구는 고산화 상태의 금속을 이용한 수소 발생 반응의 작동 원리를 밝혀낸 것으로, 차세대 촉매를 어떻게 설계해야 할지에 대한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 촉매가 작동할 때, 금속 자체뿐 아니라 금속 주변에 결합한 리간드와의 상호작용이 매우 중요하다는 사실을 확인했으며, 그동안 주목받지 못했던 주변 분자들이 실제 반응 효율에 결정적인 영향을 줄 수 있음을 보여주었다는 평가다. 수소 발생 반응은 수소 가스를 친환경 에너지원으로 활용하기 위한 핵심 기술이다. 기존에는 촉매 중심에 있는 금속의 전자 구조에 주로 관심이 집중됐지만, 최근에는 금속 주변에 붙어 있는 분자들이 금속의 성질을 바꾸고 반응을 조절하는 역할에도 관심이 커지고 있다. 연구팀은 실험을 통해, 텅스텐 착화합물 내에서 약산성 물질이 금속에 결합된 산소(W=O)와 디티올렌 분자의 황(S) 원자 두 곳에 동시에 수소 결합을 형성하며, 이를 통해 전자와 양성자가 함께 이동해 수소 발생 반응이 원활히 일어나는 전자 구조가 만들어진다는 것을 세계 최초로 입증했다. 또 수소(H) 대신 무거운 동위원소인 중수소(D)를 사용한 실험에서도 반응 속도 차이(H/D 비율 1.62)가 나타나, 수소 결합을 통한 양성자 이동 과정이 반응 속도에 직접 영향을 준다는 사실이 입증됐다. 실험을 통해 촉매 성능도 입증됐는데, 해당 텅스텐 착화합물은 99%에 달하는 패러데이 효율과 함께 초당 약 12만2277회의 턴오버 빈도(TOF)를 기록해 뛰어난 수소 생산 능력을 나타냈다. 패러데이 효율은 전기화학 반응에서 사용된 전기가 실제로 원하는 화학물질을 만드는 데 얼마나 효과적으로 쓰였는지를 나타내는 지표이며, 턴오버 빈도(TOF, Turnover Frequency)는 촉매 1분자가 단위 시간 동안 몇 번의 화학 반응을 수행하는지를 나타내는 값으로 촉매의 반응 속도와 효율을 정량적으로 평가하는 지표다.  서준혁 교수는 “이번 연구를 통해 인공광합성, 이산화탄소 전환, 수전해 기술 등 차세대 에너지 전환 반응의 기본 원리를 더 깊이 이해하고 설명할 수 있게 됐다”고 밝혔다. 이번 연구 결과는 독일화학회가 발행하는 국제학술지 '앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition, ACIE)'에 2025년 5월 22일 온라인 게재됐다. jiany@fnnews.com 연지안 기자

[파이낸셜뉴스] 전 세계 희토류를 독점하는 중국이 이달 들어 공급망 통제에 나서면서 가격 급등에 따른 관련주들의 주가 변동성이 커지고 있다. 10일 오후 1시 8분 현재 티플랙스는 전 거래일 대비 8.52% 오른 2930원에 거래되고 있다. 한국자원서비스(KOMIS)에 따르면 지난 4일 기준 중국 상하이 금속거래소에서 거래된 중희토류 산화디스프로슘 가격은 1㎏당 256.5달러를 기록했다. 이는 지난 7월과 비교해 약 11% 오른 수치다. 또 중희토류인 테르븀 가격도 7월 1㎏당 688달러에서 지난달 27일 815.8달러로 약 20% 급등했다. 중국은 이달 들어 지난 6월 발표한 ‘희토관리조례’를 시행 중이다. 현지 당국은 "국가의 노선과 방침, 정책 등을 고려해 희토류의 채굴과 제련, 유통, 수출입 등을 관리해야 한다"고 밝혔다. 불법으로 희토류를 채굴하거나 유통할 경우 최대 10배 이하의 벌금을 부과하는 처벌책도 포함됐다. 상반기 하락세를 보이던 희토류 가격이 올라가면서 티플랙스 등 관련주에 기대감이 몰리고 있다. 티플랙스는 티타늄, 니켈, 텅스텐, 몰리브덴 등 희귀금속 소재를 유통한다. 여기엔 희토류를 포함해 전자제품의 필수 재료인 콜탄, 전지 원료인 리튬 등의 금속들이 포함된다. 희토류는 열과 전기가 잘 통하기 때문에 전기, 전자, 촉매, 광학, 초전도체 등 다방면에서 사용되고 있다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

[파이낸셜뉴스] 포항공과대학교(POSTECH) 신소재공학과·친환경소재대학원 김용태 교수와 유상훈 박사과정생 연구팀이 수소 연로전지의 부식을 방지하고 성능과 효율을 높이는 텅스텐 코팅법을 개발했다. 이 기술은 휴대폰 케이스와 필름처럼 친환경 수소 연료전지 전극을 보호한다. 김용태 교수는 "상용 수소연료전지 자동차 내구성을 높이는 데 직접적이면서도 효과적으로 기여할 수 있을 것"이라며, "무엇보다 막·전극 접합체(MEA) 양산 공정에 즉시 적용할 수 있어 실용화가 수월할 것"이라고 8일 말했다. 연구진은 수소 연료전지 핵심 부품인 막·전극 접합체(MEA)를 텅스텐 산화물로 코팅해 전극의 성능과 효율을 높였다. 텅스텐 산화물이 코팅된 MEA를 실제 셀에 적용한 결과, 시동과 급정지 조건에서 촉매가 부식되지 않았고, 94%의 높은 성능 유지율을 보였다. 텅스텐 산화물을 MEA에 코팅하는 기술은 전지의 내구성 향상에 아주 효과적이면서 동시에 이미 어느 정도 양산화 조건이 잡혀있는 MEA 공정에 바로 적용할 수 있다는 효용성까지 갖추고 있다. 수소차의 시동을 걸거나 차가 갑자기 정지하는 경우 차 내부로 외부 공기가 유입된다. 이 공기에 포함된 산소로 인해 전지 내부에 전기화학 반응이 일어나 촉매의 부식이 촉진된다. 도로 위를 달리고 멈추는 자동차의 특성상 시동과 정지 상황은 빈번하게 발생할 수밖에 없으며, 이로 인한 촉매의 성능 열화 역시 심각한 수준이다. 연구진은 이를 해결하기 위해 금속-절연체 전이(MIT)를 이용했다. MIT는 주변 기체의 농도나 온도 등 외부 자극으로 전기가 흐르지 않던 절연체에 전류가 흐를 수 있게 되는 현상이다. 텅스텐 산화물은 양성자의 삽입과 분리에 따라 MIT 현상을 구현하여 선택적으로 전도도를 가지는 특성이 있다. 연구진은 텅스텐 산화물을 MEA의 양극에 있는 촉매 층 위에 코팅해 일반적인 작동 조건에서는 전기 전도성을 가지다가 시동과 급정지 조건에서만 선택적으로 전류의 흐름을 차단해 촉매의 부식을 유발하는 전기화학적 반응을 억제했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 텅스텐 코팅법이 그 우수성을 인정받아 국제 학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'의 표지 논문에 선정됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

【베이징=정지우 특파원】 중국 정부가 올해 상반기 희토류 채굴·제련 총량을 20% 가까이 늘리면서도 군사용 장비, 전기차 배터리 등에 들어가는 중희토류는 오히려 줄였다. 중희토류 최대 생산국인 중국이 물량을 축소시키면 가격 상승이 불가피하다는 진단이 제기된다. ■경희토류↑·중희토류↓  30일 중국 공업정보화부와 자연자원부가 최근 발표한 ‘2023년 희토류 채굴·제련 1차 총량 지표에 관한 통지’를 보면 올해 상반기 희토류 채굴량은 12만t, 제련량은 11만5000t으로 잡혀 있다. 전년동기대비 채굴량은 19%, 제련량은 18.3% 각각 늘어난 규모다.  그러나 이 수치는 경희토류 생산량이 증가한 영향을 받았다. 경희토류는 11만t으로 1년 전에 비해 22.1% 늘었으나 중희토류는 1만900t으로 4.8% 줄었다.  경희토류와 중희토류는 희귀한 광물이면서 필수 전략물자라는 점은 동일하지만, 쓰임새는 차이가 있다.  경희토류는 상대적으로 많이 매장돼 있으면서도 용도는 광학유리, 촉매, 광학제, 세라믹 등 비첨단 분야에 제한적이다. 또 경희토류 중 세륨이나 란타늄 등은 TV브라운관과 형광램프가 액정표시장치(LCD)나 발광다이오드(LED)로 대체되면서 수요도 감소하고 있다.  반면 중희토류는 산업·의료·군수용 장치, 전기차 배터리, 영구자석 등 첨단 기술 장비에 주로 활용된다. 미국·호주·베트남 등에서도 묻혀 있는 경희토류와 달리 디스프로슘, 테르븀 등은 중국 외에선 생산이 미미하다. 영구자석 수요 증가로 중희토류를 쓰겠다는 기업은 늘고 있다. 다른 금속으로 대체할 수도 없다.  할당 기업별로는 베이팡희토가 유일하게 채굴량과 제련량이 전년보다 각각 34.4%, 36.5% 늘었다. 중국 정부가 2016년 산업 구조조정을 통해 6개 희토류 기업을 통합시킨 베이팡희토는 경희토류 중심이다.  하지만 세계 최대 중희토류 기업인 중국희토그룹에게 배정된 채굴량과 제련량은 각각 3.7%, 4% 감소했다. 이로써 중국희토는 올 상반기 채굴 3만5500t, 제련 3만3300t의 희토류 밖에 생산할 수 없게 됐다.  중국 정부는 중희토류 관리 강화 차원에서 중국알루미늄그룹, 중국우쾅그룹, 간저우희토그룹 3곳의 사업을 통합한 다음 철강연구과학기술그룹, 비철금속과학기술그룹 등 연구기관 2곳을 영입해 2021년 말 중국희토를 탄생시켰다.  또 다른 중희토류 생산 기업인 샤먼텅스텐그룹과 광둥희토산업그룹도 희토류 채굴·제련량이 전년과 비교해 4.7%~5.1% 가량 각각 축소됐다. ■생산량 감소로 가격 상승 불가피  중국 의존도가 높은 중희토류에 대한 생산량 감소 결정을 내리면서 가격 상승이 뒤따를 것으로 관측된다. 아직 감소 폭이 크지 않다고 해도 중국 정부가 하반기에 또다시 생산량을 줄일 경우 글로벌 공급망까지 흔들릴 수 있다. 희토류는 중국 정부가 생산 총량을 통제 관리하는 품목이다. 기업들은 정부가 정한 채굴 또는 제련·분리 지표를 초과해 생산할 수 없다.  중국이 중희토류 생산을 줄인 것은 환경보호와 매장량 관리 등이 표면적으로 제시된다. 다만 중국이 반도체 등 첨단 기술 분야에서 미국의 광범위한 제재를 받고 있다는 점을 감안하면, 이에 대한 경고 차원에서 중희토류 생산량을 축소시켰다는 해석도 나온다. 중국 자연자원부가 희토류를 비롯한 전략적 광물의 불법 채광 단속을 강화하고, 수출 금지·제한 기술 목록 수정안 의견수렴에 희토류 관련 내용을 포함시킨 것도 같은 맥락이다.  국제에너지기구(IEA)에 따르면 2021년 기준 중국은 전 세계 희토류 생산량의 60%를 책임지고 있다. 미국은 15%에 불과하다. 여기다 희토류가 정제·가공 과정에서 환경오염 물질을 대량 배출하기 때문에 미국이 일찌감치 이를 포기하면서 중국의 정제·가공 역량 비중은 87%에 달한다.  중국 정부는 통지에서 “희토류는 국가가 생산 총량을 통제·관리하는 품목”이라며 “불법으로 희토류를 생산, 구매, 가공하는 금하며 수출은 관련 규정을 엄격히 준수해야 한다”고 경고했다. jjw@fnnews.com 정지우 기자

[파이낸셜뉴스]산업통상자원부와 한국세라믹연합회는 26일 서울 강남구 코엑스에서 '2022년 세라믹의 날' 기념행사를 개최했다고 밝혔다. '세라믹의 날'은 1969년 마산 도자기센터 있는 요업진흥비 건립을 기념함과 동시에, 세라믹 산업 발전에 기여한 업계 종사자 노고를 치하하고 업계 결속을 다지기 위해 2015년부터 매년 열리고 있다. 업계 대표, 임직원 등 100여 명이 참석한 가운데 열린 이번 기념식에서는 세라믹 산업 발전에 기여한 공로로 총 13명의 유공자가 국무총리 표창 등 정부 포상을 받았다. 전량 수입에 의존하던 세라믹 허니컴(자동차나 보일러 등의 내연기관 배출가스 저감에 사용되는 촉매 필터) 국산화 개발에 기여한 세라컴 이강홍 대표이사가 국무총리표창을 수상했다. 세라믹 산업의 경쟁력 강화와 소재·부품·장비 국산화 등을 위해 각고의 노력을 기울인 한국전자재료 김민수 대표이사 등 10명이 산업부 장관 표창을 받았다. 세라믹 분야 학생을 대상으로 한 논문 경진대회에서는 성균관대 대학원생 김문경씨와 고려대 대학원생 최상현씨가 각각 산업부 장관상을 수상했다. 김씨는 나노 접합 텅스텐 기반 복합 수소생산 광촉매의 구축에 대한 연구를, 최씨는 나노로드 실리콘 산화물 기반 인공 뉴런에 대한 연구를 인정받았다. 아울러 이날 행사에서는 세라믹 소재·부품·장비 관련 국내외 150여 개사가 참가한 '2022 국제세라믹 및 융복합기술전'을 함께 열어 세라믹 산업의 관심을 높이는 계기를 마련했다. 이용필 산업부 소재융합산업정책관은 "탄소중립 관련 세라믹 산업 지원 강화와 글로벌 경쟁력 확보를 위한 세라믹 제조혁신 등 정부가 세라믹 산업의 발전을 적극적으로 지원해 나갈 것"이라고 했다. leeyb@fnnews.com 이유범 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 이산화탄소를 고부가가치 화합물 원료인 일산화탄소로 바꾸는 인공광합성 기술을 향상시켰다. 연구진은 고효율 인공광합성 기술로 제철소와 석유화학 공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 온실가스를 저감할 수 있다고 설명했다. 또한 석유화학 공정에서 생산되는 기초 화합물들을 '탄소중립'이 실현된 인공광합성 방법을 통해 생산할 수 있을 것이라고 전망했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 오형석 박사팀이 실리콘 태양전지를 결합한 넓은 면적의 인공광합성 시스템을 만들어냈다고 29일 밝혔다. 오형석 박사는 "상용 실리콘 태양전지로 실제 야외 환경에서 햇빛으로 직접 작동하는 진정한 의미의 인공광합성 시스템을 구축했다"고 말했다. 인공광합성 기술은 자연 광합성을 모방해 식물처럼 햇빛을 받아 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올, 에탄올 등과 같은 고부가가치 화합물로 전환하는 기술이다. 오형석 박사팀은 경희대 유재수 교수팀과 인공광합성에 사용하는 나노미터 크기의 가지 모양 텅스텐-은 촉매 전극을 개발했다. 이 전극을 120㎠ 넓이의 태양전지에 연결해 실험한 결과, 기존 은 촉매보다 일산화탄소 생산 효율이 60% 이상 향상됐으며, 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 연구진은 실험실이 아닌 실제 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소로 고효율로 전환하는 데 성공했다. 연구진이 개발한 시스템은 지금까지 개발된 실리콘 태양전지 기반의 인공광합성 시스템 중 가장 높은 수준인 12.1%의 전환효율을 보였다. 또한 가지형의 텅스텐-은 촉매를 전자현미경과 실시간 분석법을 통해 살펴봤다. 이 촉매의 성능과 내구성이 개선된 원인은 촉매의 3차원 구조와 가지 모양의 결정구조 덕분에 높은 효율을 보였다. 하지만, 경제성 및 기술적 한계로 인해 실험실 수준의 연구에만 머물러 있었고, 태양전지 연구와 이산화탄소 전환 연구로 분리해 각각 진행돼 왔다. 진정한 의미의 인공광합성을 실현하기 위한 연구는 작은 면적으로 실험실 조건에서만 진행됐을 뿐이었다. 한편, 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 '어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental)'에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 대표적인 온실가스 메탄으로 석유 화학의 '쌀'인 에틸렌의 수율을 높일 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존보다 메탄 전환율을 48.5%까지 끌어올린 것이 특징이다. 한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사팀이 텅스텐에 질소를 첨가한 새로운 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다. 연구진이 만든 촉매는 에틸렌 생산 수율을 높일 수 있는 새로운 '질소 도핑' 기술이 적용됐다. 연구진은 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 방법으로 질소 성분을 도핑했다. 촉매 제조 과정 중 일정 농도의 피리딘 용액을 촉매 표면에 침투시키는 과정만으로 질소 성분을 도핑한 것이다. 이를 통해 메탄 전환율을 높이고 산화반응을 억제한다. 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지되는 것을 확인됐다. 부반응인 메탄의 산화로 인한 높은 반응열과 열화점으로 인한 촉매 비활성화를 억제하는 동시에 생성물인 에탄과 에틸렌 선택도까지 향상시켰다. 연구진은 실리카 표면에 넣은 텅스텐 촉매에 질소를 도핑할 경우, 질소 성분이 텅스텐 옥소 복합체에 흡착된 메틸라디칼을 안정화했다. 실험 결과 부반응물인 탄소산화물에 비해 생성물인 화합물의 수율이 증가했다. 연구진이 개발한 질소 도핑 기술은 별도의 장치나 공정이 필요 없이, 단순히 피리딘 용액을 촉매 표면에 도핑하는 것만으로 다양한 농도의 질소를 도핑할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 기술은 촉매 표면의 산·염기성을 조절하거나 지지체-촉매 입자간의 결합력 제어, 전자 소자의 전기적·전자적 성질의 제어 등에 다양하게 적용 가능하다. 해당 기술은 국내 특허 등록 및 미국에 특허가 출원됐다. 연구진은 이외에도 대표적 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 합성가스(H2, CO)를 생산하는 건식개질 공정용 촉매도 개발했다. 메탄과 수증기의 반응에 의한 습식개질의 경우 상용화가 완료됐으나, 건식개질은 온실가스 감축 효과 및 단순한 공정 등의 장점에도 불구하고, 촉매 표면에 심각한 탄소침적으로 인한 비활성화 문제로 인해 현재까지 상용화되지 못했다. 연구진은 원자단위 촉매설계 및 조성 최적화를 통해, 장시간 운전에도 성능 저하가 없는 '안티 코킹' 촉매를 개발했다. 석유화학, 제철, 시멘트 산업 등 이산화탄소 발생원에 직접 촉매 공정을 설치, 상용화하기 위한 연구를 준비하고 있다. 김희연 박사는 "연구를 통해 보유한 촉매원천기술의 기술 수준을 높여 상용 공정에 적용할 수 있도록 완성도를 높이는 것이 중요하다"고 강조했다. 또한, "이를 위해서는 관련 연구에 대한 지속적 투자가 필요하다"고 말했다. 한편, 이번 연구결과는 환경분야 국제학술지인 '어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental)'에 게재됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 미세먼지와 오존의 원인 물질인 질소산화물을 제거하는데 비용을 줄일 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 이 기술을 이용하면 기존 방법보다도 최대 63%의 에너지를 절감하면서 미세먼지를 줄일 수 있다고 설명했다. 한국에너지기술연구원 미세먼지연구단 정순관 박사는 공장 굴뚝에서 나오는 질소산화물을 줄이는 장치가 낮은 온도에서도 정상적으로 작동하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 정순관 박사팀은 질소산화물 저감 장치에 사용하는 촉매 성능을 높였다. 기존에 사용하는 촉매는 300~350℃에서 질소산화물을 제거한다. 반면 연구진이 개발한 촉매는 180℃에서도 질소산화물을 92% 이상을 제거해 2.3배 이상 효율이 향상됐다. 또한 170~400℃까지 넓은 범위의 온도에서도 적용이 가능하다. 기존 촉매는 하루도 안돼 내구성이 떨어지만 연구진이 개발한 촉매는 50시간 이상 사용할 수 있다. 정순관 박사는 "매우 도전적인 목표의 기술로 여겨졌던 극저온 탈질 촉매의 개발을 통해 초미세먼지 원인물질을 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있게 됐다. 이는 국내 산업부문 배출 미세먼지 저감에 큰 기여를 할 수 있는 혁신적 기술"이라고 말했다. 이 기술은 질소산화물을 많이 배출하는 시멘트, 제철, 발전, 제지, 소각로 등에 적용할 수 있다. 연구진은 특히 더욱 강화되는 대기오염 배출규제에 대응하기 위한 중소사업장 업주들의 환경설비 운영 부담을 줄여주고, 환경규제에 대응할 수 있다고 설명했다. 연구진은 이번 기술개발을 통해 2건의 원천 특허를 출원했다. 또한 이 기술의 상용화를 위해 100N㎥/h 규모의 파일럿 실증을 위한 촉매제조 스케일업 및 모듈 최적화 연구를 추진 중이다. 연구진은 파일럿 실증이 완료되는 2023~2024년에 상용 플랜트 설비에 시험 적용할 수 있을 것이라고 전망했다. 미세먼지연구단 황선미 선임연구원은 "다종학문의 융합과 몰입 연구를 통해 저온 탈질 촉매 기술을 선점할 수 있었다. 또한 탈질촉매 연구분야에서 꿈의 영역인 150℃ 이하에서 우수한 활성을 갖는 촉매개발에 도전해 누구도 따라올 수 없는 기술을 개발하겠다"고 말했다. 한편, 발전소나 제철소 등 연소시설에서 고온의 질소와 산소가 반응해 질소산화물이 굴뚝으로 배출된다. 기업들은 선택적 촉매환원 방법을 활용해 질소산화물을 인체에 무해한 물과 질소로 전환하는 환경설비를 적용하고 있다. 이때 질소산화물 저감 효율을 좌우하는 핵심 요소는 선택적촉매환원에 장착되는 배연탈질촉매의 성능이다. 현재 질소산화물 제거 장치에는 바나듐, 텅스텐 활성금속이 이산화티타늄에 분산된 촉매를 주로 사용한다. 이 촉매는 300~350℃의 온도영역에서 질소산화물을 제거하는데, 대부분의 장치는 유지 및 안정성을 고려해 배기가스에 포함된 먼지와 황산화물 제거하는 장치 다음에 위치한다. 앞의 장치를 거치면서 배기가스가 200℃ 이하로 낮아지고 질소산화물을 제거하는데 필요한 온도에 미치지 못하게 된다. 결국 다시 온도를 높이기 위한 장치 운영으로 비용이 추가된다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 온실가스인 메탄을 고부가가치 석유화학 원료인 에틸렌으로 전환하는 촉매를 개발했다. 연구진은 '메탄 전환공정용 촉매에 질소 도핑 기술' 특허를 국내 등록과 미국 출원 완료했다. 한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사팀이 지난 30여 년 간 난제로 여겨지던 '메탄 직접전환공정'의 효율을 높일 수 있는 촉매기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 연구진은 이 촉매가 1㎚가 채 되지 않는 크기로, 메탄산화이량화 반응에서 기존의 나노 촉매에 비해 질량당 활성이 100배 이상 우수하다고 설명했다. 메탄은 천연가스나 정유 과정에서 31%, 소나 양 등 반추동물에서 27%가 배출된다. 또한 기타 쓰레기 매립지, 석탄광산 등에서 배출되기도 한다. 메탄을 직접전환하는 기술 중 메탄산화이량화(OCM)는 메탄을 산소와 반응시켜 에틸렌 등으로 직접 전환하는 기술이다. 매우 강한 탄소-수소 결합으로 이루어진 메탄을 활성화시키기 위해 약 800도 이상의 높은 반응 온도가 필요하다. 반응 중 발열에 의해 촉매가 심각하게 비활성화되는 문제가 있다. 또한, 열역학적으로 메탄이 에틸렌으로 커플링되는 경로보다 일산화탄소 또는 이산화탄소 등으로 산화되는 경로를 선호해, 에틸렌의 수율을 높이기가 쉽지 않다. 연구진은 메탄 직접전환 공정에 사용되는 촉매의 원자단위 설계기술과 촉매조성 최적화기술 등을 적용해 메탄 직접전환용 촉매 기술을 개발했다. 연구진은 텅스텐 계열의 촉매에 간단한 처리만으로 질소성분을 도핑해 촉매를 만들었다. 이 촉매는 메탄 산화반응을 억제하는 동시에 에틸렌 수율이 높다. 연구진은 촉매 제조 과정 중 액체 상태의 피리딘을 일정 농도 첨가하는 것만으로 간단히 질소를 도핑했다. 이렇게 도핑된 질소 성분은 800도 이상의 고온에서도 장시간 안정적으로 유지됐다. 또한, 기존에 반도체 공정에서 주로 사용하던 화학기상증착 기술을 촉매 제조 공정에 적용해, 단원자 규모의 텅스텐 촉매를 합성하는데 성공했다. 반도체 공정에서 무결점의 박막을 제조하는데 사용하는 화학기상증착법을 촉매 입자의 합성에 응용한 것이다. 촉매 반응에서는 촉매 표면의 결점이 곧 반응활성점으로 작용하기 때문이다. 김희연 박사 "지난 25년 간 수행한 촉매연구 중 메탄 직접전환 공정은 반응경로가 매우 복잡하고 공정변수 영향이 심각해 가장 어려운 주제 중 하나였다"며 "당장 결과가 보이는 상업성 높은 연구도 중요하겠으나, 메탄 직접전환용 촉매 기술은 탄소중립뿐만 아니라 미래의 에너지 상황에 대비하기 위한 핵심 기술로써 그 중요성이 크므로 촉매연구에 지속적 투자가 필요하다"고 강조했다. 한편, 연구진은 텅스텐 이외에도 백금, 코발트, 니켈 등을 기반으로 한 단원자 촉매 합성에도 성공했다. 자체개발한 단원자 촉매는 메탄 직접전환공정 이외에도 메탄 개질을 통한 수소생산, 연료전지 및 수전해시스템, 광전기화학적 수소생산 등 다양한 에너지시스템에 적용 연구를 진행 중이다. 연구진은 메탄 직접전환공정 효율을 향상시키기 위한 공정최적화 연구를 병행해 한계 수율인 30% 극복을 위한 연구를 지속하고 있다. monarch@fnnews.com 김만기 기자