고려대, 수소 에너지 저장 ‧ 운반 성능과 안전성을 높인 

차세대 고효율 분리막 반응기 개발

▲  (왼쪽부터) 최정규 교수(교신저자), 김세진(제1저자, 석박사통합과정), 이승미(제1저자, 석박사통합과정), 성수현(제1저자, 석사)

고려대학교(총장 김동원)가 미래 핵심 에너지원인 수소를 효율적으로 저장‧운반할 수 있는 차세대 분리막 반응기를 개발했다.

수소는 친환경 에너지로 주목받고 있지만, 특성상 안전한 저장과 운송이 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 액상유기수소운반체(LOHC)가 연구되고 있으며, 메틸사이클로헥세인(MCH)이 대표적으로 사용된다. 다만, MCH의 경우 수소를 추출하는 과정(탈수소화 반응)에서 높은 전환율을 얻기 위해 고온처리가 필요한데, 이로 인해 촉매 비활성화와 부산물 발생이 나타날 수 있다.

*액상유기수소운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier): 상온·상압에서 액체 상태로 존재하는 유기 화합물을 이용하여 수소를 저장하고 운송하는 기술이다. 이 LOHC 프로세스는 유기 화합물의 가역적인 수소화와 탈수소화 반응을 통한 수소의 저장과 추출을 포함하며, 이를 기반으로 액체 상태에서 수소를 안전하게 운송할 수 있다.
*메틸사이클로헥세인(Methylcyclohexane): 탄소와 수소로 이루어진 화합물로, 낮은 독성, 높은 수소 함량, 비교적 낮은 끓는점 등의 특성으로 인해 대표적인 액상유기수소운반체(LOHC) 후보 중 하나이다.

고려대 화공생명공학과 최정규 교수 연구팀은 탈수소화 반응과 수소 분리를 동시에 진행할 수 있는 고성능 분리막 반응기를 개발, 기존보다 낮은 온도에서 높은 전환율을 달성하여 탈수소화 반응의 효율과 안전성을 높였다.

연구팀은 기존에 확보한 ‘이종(hybrid) 제올라이트 분리막 기술’을 통해 제작한 높은 수소 선택성을 갖는 제올라이트 분리막과 실제 탈수소화 공정에 사용되는 백금(Pt) 기반 촉매를 이용하여, 고성능 분리막 반응기 개발에 성공하였다. 이 반응기는 실제 산업 현장에서 활용이 가능할 만큼 높은 성능을 확보했다.

*제올라이트: 제올라이트는 규소산화물에 일부 규소가 알루미늄으로 치환된 무기 결정 물질로, 1 nm보다 작은 기공을 지닌 물질이다. 제올라이트는 고유한 결정구조 등에 따라 200여 가지가 넘는 독립적인 구조가 보고되었으며, 세 자리의 문자 코드로 이를 나타낸다 [예: MFI (Zeolite Socony Mobil-five), CHA (Chabazite), DDR (Deca-dodecasil 3 Rhombohedral) 및 LTA (Linde Type A) 등]. 제올라이트는 다양한 분야에서 이온교환제 및 정수용 필터, 촉매 및 촉매담지체, 흡착제, 그리고 분리막 등의 형태로 폭넓게 사용되고 있다.

교신저자인 최정규 교수는 “해당 기술은 MCH 외에 다양한 고온 반응 공정에도 활용 가능하며, 이번에 개발된 분리막 반응기가 고온의 실제 화학 공정에 적용할 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다”고 전했다.

해당 연구는 지난 13일(목) 나노과학, 화학, 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Science (IF:15.1)’에 게재됐으며, 한국연구재단의 차세대 유망 Seed 기술실용화 패스트트랙 사업의 지원으로 이뤄졌다.

* 논문명: Zeolite Membrane-Based Low-Temperature Dehydrogenation of a Liquid Organic Hydrogen Carrier: A Key Step in the Development of a Hydrogen Economy
* 논문 DOI 링크: https://doi.org/10.1002/advs.202403128

* 최정규 교수 홈페이지: http://imsr.korea.ac.kr

<그림 1> 

[그림 1 설명]  액상유기수소운반체(LOHC) 프로세스의 모식도

<그림 2> 

<그림 3> 

[그림 3 설명] 일반 반응기(왼쪽) 및 분리막 반응기(오른쪽) 개략도, 상압에서 다양한 온도에 따른 MCH 전환율 향상 결과(중간)

커뮤니케이션팀 유정아 (aajyoo@korea.ac.kr)