국립창원대학교 정대운 교수 연구팀 연구 논문 저자 및 연구 관련 그림.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교는 스마트그린공학부 환경에너지공학전공 정대운 교수(교신저자) 연구팀이 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 동시에 활용한 화학 반응에서 전환 효율과 안정성을 동시에 끌어올린 촉매 설계 프레임을 제시하고, 그 연구 성과가 세계적 권위 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF: 9.5, JCR 상위 13.7%)’에 전면 표지논문으로 선정됐다고 4일 밝혔다.

이번 연구는 정대운 교수 연구팀의 손지원(제1저자), 송재민(공동저자), 천범수(공동저자) 연구원이 주도했으며, 고성능 촉매 설계에 필수적인 기공구조 및 담지량을 체계적으로 제어하는 기술을 성공적으로 입증해 냈다(논문명: Enhanced catalytic performance of Ni/Al2O3 for the carbon dioxide reforming reaction by controlling the pore structure and Ni addition in catalyst design).

정대운 교수 연구팀에 따르면 CDR 반응은 온실가스 저감과 동시에 수소와 합성가스를 생산할 수 있는 유망한 기술이지만, 고온 조건에서 탄소 침적(carbon deposition)과 금속 소결(sintering)로 촉매가 빠르게 비활성화되는 문제가 상용화를 가로막는 기술적 난제로 지적됐다.

연구팀은 이러한 한계를 촉매 ‘조성 변경’이 아니라 ‘구조 설계’ 관점에서 해결하고자 촉매의 기공 구조 특성과 제조 과정 중 활성 금속의 담지 시점이 성능에 미치는 영향을 비교 분석했으며, 제조된 촉매의 산업 적용 가능성을 확인하기 위해, 상용조건보다 200배 높은 가혹한 조건에서의 정밀 평가를 수행했다.

그 결과, 이중기공의 Ni/BPA 촉매는 CH₄ 전환율 82%, CO₂ 전환율 85%를 달성해 기존 단일 기공 구조의 촉매보다 높은 효율을 입증했다. 이러한 성능 향상은 이중기공 구조에 의한 물질 전달(mass transfer) 효율의 개선과 금속-지지체 간 상호작용 최적화를 통한 Ni 활성점의 고분산 형성에 기인한 것으로 확인됐다.

아울러 연구팀은 100시간 이상의 장기 운전테스트와 반응 후 촉매 특성 분석을 통해 산업 규모 조건에서도 유의미한 안정성을 확보했으며, 후처리 공정까지 고려한 연구를 수행했다.

정대운 국립창원대 교수는 “CDR 반응은 탄소중립과 수소경제 전환에서 ‘온실가스 동시 자원화’의 전략적 공정이 될 수 있다”며 “이번 연구는 촉매 설계 단계에서 기공 구조와 Ni 도입 전략을 정교하게 제어함으로써 고활성·고안정 촉매 개발의 실질적 가이드를 제시했다”고 설명했다.