화학연구원, '이산화탄소→나프타' 직접 전환 '고성능 촉매기술' 개발

철과 코발트가 원자단위로 형성된 입자에서 이산화탄소(CO2)로부터 나프타를 생산하는 반응을 나타낸 그림. 코발트가 원자단위로 철과 합금을 이루면서 CO2를 낮은 온도에서도 반응시키고 부산물 생성을 억제한다. 코발트가 포피린과 결합한 화합물을 사용해 '원자합급' 구조가 안정화 되는 것으로 밝혀졌다./사진제공=한국화학연구원

# 원유(석유) 정제과정에서 얻어지는 '나프타'는 석유화학 기초원료나 휘발유의 원료로 사용된다. 세계 4~5위 규모를 자랑하는 우리나라 석유화학 산업은 연간 약 5400만 톤의 나프타 국내 소비를 통해 6100여 만톤의 온실가스를 배출하고 있다. 우리나라가 제시한 '2050년 탄소중립 실현 이행계획' 목표에 도달하더라도 기초원료 물질인 나프타의 사용은 지속적으로 필요하다. 따라서 진정한 탄소중립에 도달하기 위해서는 화석 연료 기반이 아닌 이산화탄소 등의 미활용 탄소원을 활용해 나프타로 대체하는 기술이 필수적이다.

이런 가운데 한국화학연구 차세대탄소자원화연구단이 이산화탄소를 기초 화학원료인 나프타로 직접 전환하는 공정에 사용되는 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 이 기술은 향후 '이산화탄소의 대량 저감'과 '기초원료 생산'의 일거양득 효과를 거둘 수 있어 주목된다.


이번에 개발한 기술은 이산화탄소를 낮은 온도에서도 쉽게 반응시키면서 부산물을 적게 생성하는 것이 핵심.

연구단에 따르면 800℃ 이상의 높은 온도를 필요로 하는 이산화탄소 간접전환 방식에 비해 300℃의 낮은 온도에서 진행되는 직접전환 공정은 전력공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다. 반면, 이산화탄소의 전환 효율이 낮고 일산화탄소·메탄 등의 부산물이 다량 생성돼 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

한국화학연구 차세대탄소자원화연구단이 이산화탄소를 기초 화학원료인 나프타로 직접 전환하는 공정에 사용되는 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다./사진제공=한국화학연구원

이 같은 문제의 해결책을 찾던 연구단은 코발트를 원자단위로 철과 합금하면 성능을 대폭 향상시킬 수 있다는 사실을 발견하고, 이를 통해 이산화탄소는 낮은 온도에서도 쉽게 반응시키면서 부산물을 적게 생성할 수 있는 고성능 촉매를 개발한 것. 이 기술을 적용한 결과 기존의 직접전환 기술(16% 수준) 대비 37% 이상 향상된 22% 이상의 나프타 수율을 확보했다.


이와 관련, 이 연구원의 전기원 박사는 "오는 2030년 기준 재생에너지 발전 용량인 '63.8기가와트(GW)' 중 잉여전력을 10% 정도 수준으로 추정해 이 공정에 필요한 에너지원으로 활용한다면 연간 이산화탄소는 453만톤 저감 가능하고 나프타는 254만톤 생산 가능할 것으로 예측된다" 며 "이는 석유화학산업 온실배출량의 약 7.4%를 저감시킬 수 있는 양에 해당된다"고 설명했다.

한편, 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업의 일환으로 수행된 이번 연구성과는 촉매 분야 최고 권위지인 'ACS Catalysis' 2월호에 게재됐다.