"지구온난화 주범 메탄을 손쉽게 액체연료로" … 서강대 하경수 교수 연구팀, 획기적 촉매기술 개발

서강대학교는 화공생명공학과 하경수 교수 연구팀이 지구온난화의 주범으로 꼽히는 메탄(CH₄)을 휘발유나 경유 같은 고부가가치 액체연료로 손쉽게 바꿀 수 있는 획기적인 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 복잡하고 에너지가 많이 드는 기존 공정의 한계를 뛰어넘어 차세대 합성 연료 생산의 길을 열어줄 것으로 기대를 모은다.

이번 연구는 KAIST 이진우 교수팀, 서울대 한정우 교수팀과 공동으로 진행했다.

메탄은 화학적으로 매우 안정돼 있어 다른 물질로 변환하기 까다롭다. 기존에는 메탄을 합성가스로 만든 뒤 고온·고압에서 반응시키는 '피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)' 공정을 주로 썼으나 막대한 에너지가 소모된다는 단점이 있었다.

공동 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 '비열 플라즈마(Non-thermal Plasma)' 기술과 이에 최적화된 새로운 촉매 구조에 주목했다. 연구팀은 플라즈마 기술을 활용해 메탄을 탄소 사슬이 긴 탄화수소(C₅–C₁₆)로 직접 전환하는 '계층적 다공성 이산화티타늄/실리카(HP-TiO₂/SiO₂) 촉매'를 개발했다.

개발된 촉매는 고분자 간 상호작용을 정밀하게 제어해 마치 스펀지처럼 미세한 기공(Mesopore)과 큰 기공(Macropore)이 섞여 있는 '계층적 다공성 구조'를 띤다. 이 독특한 구조 덕분에 플라즈마가 촉매 내부 깊숙이 침투할 수 있어 메탄의 활성화 반응이 획기적으로 촉진된다.

특히 촉매 내 티타늄(Ti)과 실리카(Si)의 비율을 조절해 별도의 고온 개질 과정 없이도 휘발유나 경유 범위의 탄화수소를 선택적으로 생산할 수 있게 됐다.

연구팀은 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 해당 촉매의 내구성도 입증했다. 반응 중 탄소 찌꺼기(Coke)가 쌓여 촉매 성능이 떨어지는 고질적인 문제를, 티타늄 촉매가 반응 에너지 장벽을 조절함으로써 효과적으로 억제한다는 사실을 규명했다.

이번 연구는 플라즈마를 이용한 촉매 반응의 효율을 높이는 새로운 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 하 교수는 "이번 기술은 낮은 온도에서도 메탄을 유용한 액체연료로 직접 전환할 가능성을 보여준다"며 "앞으로 합성 연료와 고부가가치 화학 제품 생산 공정의 에너지 효율을 높이는 데 크게 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지·환경 촉매 분야의 최고 권위지 '어플라이드 캐털리시스 B: 인바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy·응용 촉매 B:환경·에너지)에 게재됐다. 서강대 김주찬 박사·KAIST 반민경 박사과정·포항공대 임현애 박사가 공동 제1저자로 참여했다.