보도자료
배포일	2025년 2월 7일(금) 08:00			엠바고	온라인 : 2025년2월9일(일) 12:00 지 면 : 2025년2월10일(월) 조간
문 의	연구부서	화학공정연구본부 한승주 선임연구원(042-860-7345, 010-5095-1617)
	홍보부서	대외협력실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 대외협력실 강가람 선임행정원(042-860-7815, 010-4699-2639)

화학연, 이산화탄소 배출 없이 청정수소를 생산하는 신개념 용융 금속 촉매 기술 개발 - 셀레늄이 도입된 용융 금속 촉매를 활용해 메탄 → 수소 전환율 최대 36.3% 향상 - 기존 고체 촉매의 단점을 극복한 액체 촉매 활용, 100시간 이상 성능 지속 - 후속 연구를 통해 2030년 이후 청록수소 생산 상용화 가능성 높이는데 주력할 계획

□ 국내 연구진이 셀레늄(Se)을 추가한 액체 금속 촉매를 활용하여, 청록수소 생산 효율을 높인 기술을 개발했다.

* 청록수소 : 메탄(CH4)의 열분해를 통해 생성되는 수소. 전통적인 회색수소 (화석 연료 기반)와 녹색수소(재생 에너지 기반)의 중간단계 수소 생산 방식

◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 한승주 박사 연구팀은 셀레늄을 첨가한 용융 금속 촉매(NiBi, CuBi)를 활용하여 메탄(CH4) 열분해 효율을 크게 향상시키는 기술을 선보였다. 본 기술은 높은 메탄 전환율과 안정적인 촉매 성능을 통해 지속 가능한 청정수소 생산의 새로운 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.

□ 메탄 열분해는 청록수소를 생산하는 친환경 기술로, 고체 탄소를 부산물로 생성하고 이산화탄소를 배출하지 않아 주목받고 있다.

◯ 하지만 기존 기술은 높은 온도가 요구되거나, 고체촉매 활용 시 촉매 표면에 탄소가 침적되어 비활성화가 빠르게 일어나는 문제가 있었다.

□ 연구팀은 기존 촉매의 단점을 극복하기 위해, 촉매 활성 및 기포 제어 성능을 개선한, 셀레늄이 포함된 3성분계 용융금속 촉매를 개발하였다.

◯ 연구팀은 기존의 고체 촉매 대신, 액체 상태로 유지되는 용융 금속 촉매를 사용했다는 특징이 있다. 용융 금속 촉매는 메탄 열분해 과정에서 생성되는 탄소를 물리적으로 분리하기 용이하여 장시간 안정적인 반응이 가능하다.

◯ 한편 셀레늄 금속 첨가는 촉매의 표면 장력 감소와 촉매 표면 활성을 증가시켰다. 먼저 촉매 표면 장력 감소는 반응 가스와 촉매 표면 간 접촉 면적 극대화로 이어졌다. 이에 반응 물질의 촉매 내 체류시간이 길어짐에 따라 수소 생산성이 증대되었다.

◯ 또한 셀레늄 첨가는 촉매가 작동하는 활성화 에너지를 감소시켜 표면 활성을 증가시켰다. 특히 셀레늄은 니켈의 표면 노출을 촉진시키고, 니켈 활성점의 메탄 전환 효율을 개선시켰다.

◯ 셀레늄 도핑은 기존의 니켈-비스무스 촉매 표면 장력을 약 19% 감소시켜, 기포 크기를 줄이고 부피 대비 촉매 접촉 면적을 향상시킴으로써 반응 효율 극대화에 기여했다. 이번에 제안한, 셀레늄이 포함된 3성분계 촉매(NiBiSe, CuBiSe)는 기존 촉매에 비해 메탄에서 수소로 바뀌는 전환율을 각각 36.3%, 20.5% 향상시켰다. 특히 니켈–비스무스-셀레늄(NiBiSe) 촉매는 100시간 이상의 오랜 반응에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하였다.

□ 연구팀은 본 기술이 청정수소 생산의 상용화를 크게 앞당길 잠재력을 가지고 있다고 평가했다. 향후 후속 연구를 통해 공정 효율을 더욱 개선하고, 2030년 이후 상업적 적용 가능성을 높이는 데 주력할 계획이다.

◯ 연구진은 “이번 연구는 기존 청록수소 생산 기술의 한계점을 극복하며, 탄소중립 실현에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 또한 화학연 이영국 원장은 “상용화를 목표로 한 이번 기술은 탄소 배출 없는 청록수소 생산의 핵심 기술로 자리매김할 것”이라고 말했다.

◯ 이번 논문은 2024년 12월 재료·화학 분야의 국제 학술지 Applied Catalysis B: Environmental and Energy(IF=20.3) 에 게재되었다. 화학연 한승주 박사와 한국생산기술연구원 서정철 박사가 교신저자로, 화학연·연세대 손주호 연구생이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문 주요 사항

2024.12.31. 논문 (온라인 2024.12월, 출판 2025.6월)

◦저널명 : Applied Catalysis B(IF=20.3) ◦논문명(영문):Selenium-promoted molten metal catalysts for methane pyrolysis: Modulating surface tension and catalytic activity ◦논문명(국문):셀레늄이 도입된 용융 금속 촉매를 활용한 메탄 열분해: 표면 장력과 촉매 활성 조절 ◦저자 정보 : 한승주(교신저자, 화학연), 서정철(교신저자, 생기연), 손주호(1저자, 화학연/연세대), 박경아(공동저자, 화학연), 이동현(화학연/한양대), 이윤조(공동저자, 화학연), 윤양식(공동저자, 화학연), 박종혁(공동저자, 연세대) ◦DOI : https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.125009

2024.9.22. 논문 (출판 2024.9월)

◦저널명 : ACS Catalysis B(IF=11.3) ◦논문명(영문):Novel Descriptor-Driven Design of Molten Alloys for Methane Pyrolysis ◦논문명(국문):메탄열분해 용융 합금 촉매 설계를 위한 지시자 기반 신개념 설계 방법론 ◦저자 정보 : 한승주(교신저자, 공동1저자, 화학연), 서정철(공동1저자, 화학연), 박경아(공동저자, 화학연), 손주호(1저자, 화학연/연세대), 이윤조(공동저자, 화학연), 김석기(교신저자, 아주대) ◦DOI : https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c04480

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		- (기존) 전통적인 수소 생산 방식인 수증기 개질반응의 경우 공정 및 원료 공급을 포함하여 9.5-11.5 kgCO2/kgH2의 온실가스를 배출하는 것으로 알려져 있음 - 이를 극복하기 위해, 화학식에서 이산화탄소를 배출하지 않고 고체 탄소를 부산물로 생성하기 때문에 온실가스 저감에 유리한 메탄 열분해 반응이 연구되고 있으나 높은 반응온도 및 낮은 공정 효율이 장애요소로 파악됨 - (개선) 메탄열분해 촉매로서 용융금속 촉매를 사용할 경우 활성화에너지를 낮추어 반응온도를 1,000 ℃ 이하로 낮출 수 있고 생성되는 탄소를 물리적으로 분리하기 용이하므로 촉매의 비활성화 또한 방지할 수 있음 - 본 연구를 통해 개발한 Bi-Ni-Se(비스무스-니켈-셀레늄) 촉매는 벤치마크(비교) 촉매인 Bi-Ni(비스무스-니켈) 촉매에 비해 활성화 에너지가 낮을 뿐만 아니라 기포 제어에도 용이해, 수소 생산성을 획기적으로 개선할 수 있음 - 또한, 본 연구에서는 기존에 용융촉매 개발에 시도되지 않았던, 계산화학(밀도범함수이론, 제 1원리 분자동역학)을 적용하여 효과적으로 촉매를 설계하였으며, 이 같은 촉매설계 방법론은 타 분야 촉매 연구에도 적용할 수 있음
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 청정 수소(4 kgCO2/kgH2 이하 온실가스 배출 수소) - 탄소 생성물 고부가화를 통한 탄소 기반 제품(카본블랙, 그라파이트)
실용화를 위한 과제는?		벤치 규모 청록 수소 스케일업 요소기술 개발 과제(촉매 기술, 반응기 기술, 탄소 분리 기술, 탄소 고부가화 기술, 통합공정 기술 등) 청록 수소 생산 설비 구축 및 경제성 평가
실용화 가능 시기는?		- 현재는 연구실 규모의 연구개발 초기 단계로서, 2030년 이후 실용화 예상
산업적, 경제적 파급효과는?		- 본 기술을 활용할 시 기존 수증기 메탄 개질(SMR, Steam Methane Reforming) 방식의 수소 생산에 비해 온실가스 배출량이 60% 이상 저감될 수 있어 청정수소 산업 생태계 구축에 기여할 수 있음 - 국내 수소 제조기술의 자립화 및 수소 병산 제품 고부가화 기술 확보에 기여할 수 있음

(참고) 연구 내용 관련 상세 참고 자료

□ 관련 기술 분야 용어 설명

◯ 청록수소 : 메탄(CH4)의 열분해를 통해 생성되는 수소를 의미한다. 전통적인 회색수소 (화석 연료 기반)와 녹색수소(재생 에너지 기반)의 중간단계 수소 생산 방식이다. 메탄(CH4)을 고온에서 분해하여 수소(H2)와 고체 탄소(C)를 생성하며, 반응 과정에서 생성된 고체 탄소는 그래파이트나 카본 블랙과 같은 형태로 산업적 활용이 가능하다. 탄소를 별도로 저장하거나 처분할 필요 없이 경제적으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

* 기타 수소 생산 방식 비교

- (석탄 가스화, 그레이 수소) 석탄을 고온에서 가스화하여 합성가스(수소, 일산화탄소)를 생산하는 방식으로서, 값싼 원료로 대량 생산 가능하나, 이산화탄소 배출량이 매우 많음

- (물 전기분해, 그린 수소) 전기로 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 방식으로서, 투입되는 전기를 재생에너지(태양광, 풍력) 활용 시 탄소 배출 없이 녹색 수소 생산 가능하나, 비용이 높아 대규모 상업적 적용에 한계가 있음

□ 글로벌/국내 동향, 시장 규모 등

◯ 청록 수소 생산 기술 관련 세계 시장 규모 : 청록 수소 생산 기술의 세계 시장 규모는 2023년 약 168억 달러로 평가되며, 연평균 성장률(CAGR) 5.3%로 성장하여 2030년 약 228억 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.* 이러한 성장 전망은 청정에너지에 대한 글로벌 수요 증가와 탈탄소화 노력의 일환으로 청록 수소 기술의 중요성이 부각되고 있음을 보여준다.

* (출처) Verified market reports(2024.12), 유형별, 용도별, 지리적 범위별 글로벌 청록수소 https://www.verifiedmarketreports.com/ko/product/turquoise-hydrogen-market

□ 기존 기술 한계 및 개발 현황 등

◯ 수소 제조기술의 탈탄소화를 위해 여러 기술들이 제안되는 가운데, 기존의 메탄 및 석탄의 가스화‧개질을 통해 제조되는 그레이 수소를 대체하기 위한 방안으로 그린수소, 블루수소, 청록수소 기술등이 제안되고 있다.

◯ 특히 청록수소 기술은 메탄 열분해 반응(CH4(g) → C(s) + 2H2(g))을 통해 고순도 수소 및 탄소를 제조하는 기술로, 그레이 수소 대비 낮은 이산화탄소 발생량을 가질 뿐만 아니라(2.5-4.3 kgCO2/kgH2*) 필요 에너지 또한 그레이 수소와 유사하다는 장점이 있다.

* 수소(H₂) 1kg을 생산할 때 배출되는 이산화탄소(CO₂)의 양(kg)을 의미함

◯ 청록수소 기술은 현재 프로토타입 수준의 기술수준에 머물러 있으나, 향후 탄소 중립을 실현하기 위한 가교기술로서 각광받고 있다.

◯ 메탄 열분해 기술은 크게 플라즈마 열분해(plasma pyrolysis), 열적 열분해(thermal pyrolysis) 및 촉매 열분해(catalytic pyrolysis)로 분류할 수 있다. 특히 본 연구팀에서 개발한 용융촉매 기술은 고상 촉매 기술과 달리 병산된 탄소를 물리적으로 분리 가능하기 때문에 촉매의 코크 침적 및 반응기 막힘 현상에서 자유롭다는 장점이 있다.

◯ 또한 본 기술은 촉매 손실이 거의 없고 병산되는 카본블랙/그라파이트 탄소 또한 세척을 통해 손쉽게 정제할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 상업화를 위해서는 촉매, 반응기, 열공급 방안 및 공정 등 주요 요소기술에 대한 개발이 요구된다.

◯ 용융금속 촉매로는 비스무스-니켈 촉매가 주로 연구되어 왔으며, 용융금속 촉매의 주요 물리화학적 특성과 활성간의 관계가 명확하게 규명되지 않아 촉매에 대한 최적화 연구가 부족한 상황이다.

□ 개발 기술 상세 설명

◯ 본 연구팀은 계산화학을 기반으로 다양한 용융금속에 대한 특성(활성 금속 전자밀도, 표면 농도, 확산계수, 활성화 에너지) 데이터를 수집하고 이를 바탕으로 촉매 활성을 예측할 수 있는 표시자 모델을 제안하였다.

◯ 특히 셀레늄이 첨가될 경우, 잘 알려진 벤치마크 촉매인 니켈-비스무스 및 구리-비스무스 촉매의 활성이 개선되는 것을 확인하였고 Se 함량을 최적화하였다.

◯ 셀레늄이 첨가됨에 따라 촉매의 표면장력 및 밀도가 감소하는 경향성을 나타내었고, Tate’s law*에 따라 적절한 양의 셀레늄(< 2 at%)가 첨가되었을 때 가장 최적의 기포크기 및 부피 대비 표면적을 나타내었다.

* 액체에서 기포가 형성될 때 표면 장력과 기포 크기의 관계를 설명하는 법칙

◯ 연구팀은 셀레늄 금속의 도입이 용융 금속 촉매의 기포제어 능력을 개선시켜 반응 가스의 체류시간을 향상시킬 뿐만아니라 기포 계면의 활성금속 농도 및 활성화에너지 개선을 통해 촉매 표면 활성 또한 향상시켰음을 실험적으로 규명하였다.

◯ 또한 셀레늄 금속이 조촉매로 도입됨에 따라 감소한 기포크기에 기인한 높은 표면반응 기여도 및 높은 촉매 표면 활성에 따라 탄소 생성물의 평면 성장(planar growth)가 촉진되며 탄소 순도 또한 개선됨을 확인하였다.

◯ 고온의 반응온도(> 1000 ℃) 및 용융물 특성상 특성분석이 어렵기 때문에 본 연구팀은 계산화학(밀도범함수 이론, 제 1원리 분자 동역학)을 활용하여 촉매 활성점을 이론적으로 규명하고 다양한 물리화학적 특성을 조사하였다.

◯ 본 연구팀에서 제안한, 3성분계 용융금속 도출을 위한 지시자 모델 및 연구 방법론은 메탄 열분해 뿐만 아니라 특성분석이 어려운 타 촉매 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구 관련 이미지 및 사진

□ [그림 1] 메탄으로부터 고순도 수소 및 고부가 탄소를 동시에 생산하는 CO2-free 기술

□ [그림 2] 촉매 활성 및 수소 생산성이 개선된, 셀레늄이 도입된 용융금속 촉매 개발

□ [그림 3] 촉매 표면 활성 및 기포 제어 성능이 고려된 신개념 용융 금속 촉매 제시

□ [그림 4] 용융금속 용융염 이중층 촉매 도입을 통한 촉매 활성 및 탄소 순도 개선

□ [그림 5] 주요 논문 기여자(왼쪽 아래부터 시계 방향으로 1저자 손주호 학생연구원,교신저자 한승주 선임연구원, 공동저자 이동현 학생연구원, 박경아 연구원)

□ [그림 6] 한승주 선임연구원 연구팀(가운데 위쪽 교신저자 한승주 선임연구원, 가운데 아래쪽 1저자 손주호 학생연구원)

□ [그림 7] 이동현 학생연구원이 액체 상태로 촉매를 녹인 후 메탄-수소 전환시키는 장비를 작동시키고 있다

□ [그림 9] 박경아 연구원(오른쪽)과 이동현 학생연구원이 메탄-수소 전환 장비 작동 상황을 모니터링 하고 있다

□ [그림 8] 1저자 손주호 학생연구원이 수소 전환 부산물(탄소생성물)과 촉매 샘플을 보여주고 있다

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 한승주
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터
○ 전 화 : 042-860-7345
○ 이메일 : hansj@krict.re.kr

2. 학력

○ 2008 – 2012 서울대학교 화학생물공학부 학사

○ 2012 – 2017 서울대학교 화학생물공학부 박사

3. 경력사항

○ 2017 - 2020 한국화학연구원 박사후연구원

○ 2020 – 현재 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터 선임연구원

4. 전문 분야 정보

○ C1가스(CH4, CO2, CO) 전환을 위한 불균일계 촉매 설계

○ 저활용 탄소원 기반 수소 생산 기술

○ 계산화학을 활용한 반응 메커니즘 규명 및 불균일계 촉매 디자인