탄소중립 시대, 메탄을 자원으로… 고효율 메탄올 전환 촉매 개발 성공 

- 전기화학 메커니즘 실험적 규명 및 고성능 반응기 개발

전기화학적 상온 메탄-메탄올 전환. (자료제공: 한국연구재단)

연속형 전기화학 반응기 (flow cell) 및 연속 운전 결과. (자료제공: 한국연구재단)

온실가스 주범인 메탄을 줄일 수 있는 효과적인 해결책이 제시돼 주목된다. 

한국연구재단(이사장 홍원화)은 고려대학교 문준혁 교수 연구팀이 이산화이리듐(IrO₂) 촉매 (IrO₂의 화학식을 갖는 촉매로, 높은 안정성과 전기화학 산화 반응 활성을 지님)를 이용해 상온에서 메탄을 메탄올로 선택적으로 전환하는 전기화학 반응 메커니즘을 실험적으로 규명하고, 이를 구현할 수 있는 고성능 반응 시스템을 개발했다고 7월 7일 밝혔다.

메탄은 천연가스의 주요 성분으로 자연에 풍부하게 존재하지만, 이산화탄소 대비 약 25배에 달하는 온실효과를 유발해 기후변화에 미치는 영향이 크다. 메탄을 화학적으로 유용한 물질로 전환하는 기술은 온실가스 저감과 자원화라는 두 가지 측면에서 높은 파급력을 가진다.

메탄을 메탄올로 전환하는 기술은 저장성과 수송 효율이 높고, 직접적인 연료로도 활용 가능하다는 점에서 산업적 가치가 크다. 그러나 메탄의 화학적 안정성으로 인해 선택적 전환이 어려워, 이를 유용한 화합물로 전환하는 기술 개발은 오랫동안 난제로 남아 있다.

연구팀은 전기화학 반응 중 탄산 이온이 이산화이리듐 촉매의 특정 결정면에서 반응성이 높은 산소(고활성 산소종)를 형성하고, 이 산소종이 메탄의 선택적 산화를 유도해 메탄올로 전환되는 반응 경로를 규명했다.

또한, 연구팀은 메탄을 기체로 공급하며 반응시킬 수 있는 연속 공정형 전기화학 장치를 자체 제작했다. 이 반응기는 메탄과 전해질이 촉매와 전해질 계면에 효과적으로 공급되도록 구성되었으며, 이를 통해 반응물의 전달 저항을 최소화했다. 

최적화된 전기화학 반응 조건에서 메탄올 생산 속도는 기존 대비 10배 빠른 약 10mmol을 달성했다. 또한, 100시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하 없이 작동하는 것을 확인했다. 연구팀은 이 과정을 반응 과정 중 변화를 직접 관찰할 수 있는 실험 방법인 동위원소 표지 실험과 라만 분광법으로 입증했다. 

이번 연구성과는 온실가스인 메탄을 상온에서 메탄올로 전환할 수 있는 기술적 기반을 마련했다는 점에서 의의가 있다. 

문준혁 교수는 “공정 전반에서 이산화탄소 배출이 적고, 전기를 이용한 반응 방식이기 때문에 향후 수소 생산 기술과의 연계도 가능하다”며 “이를 바탕으로 탄소중립형 연료 및 화학소재 생산 공정으로의 확장이 기대된다”고 말했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘C1 가스 리파이너리 밸류업 기술개발사업’지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 촉매 및 탄소자원화 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 2025년 7월 4일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>