메탄을 자원으로…상온서 메탄올 전환 성공한 전기화학 촉매 기술 개발

탄소중립 전환을 위한 핵심 과제로 꼽히는 온실가스 저감 기술에 새로운 가능성이 제시됐다.
한국연구재단은 고려대학교 문준혁 교수 연구팀이 상온에서 메탄을 선택적으로 메탄올로 전환하는 전기화학 촉매 기술을 개발하고, 그 반응 메커니즘을 실험적으로 규명했다고 밝혔다.


메탄은 천연가스의 주요 성분으로, 이산화탄소보다 약 25배 강한 온실효과를 유발하는 대표적인 온실가스다. 이를 화학적으로 유용한 물질로 전환하는 기술은 온실가스 저감과 자원화라는 측면에서 산업적 가치가 크다. 특히, 액체 연료로 활용 가능한 메탄올은 저장성과 운송 효율이 뛰어나지만, 메탄의 화학적 안정성으로 인해 선택적 전환이 어려워 오랫동안 기술 개발이 난제로 남아 있었다.

문준혁 교수팀은 이산화이리듐(IrO₂) 촉매를 이용해, 전기화학 반응 과정에서 탄산 이온이 촉매 표면의 고활성 산소종을 형성하고, 이 산소종이 메탄을 선택적으로 산화해 메탄올로 전환되는 반응 경로를 밝혀냈다.
이를 입증하기 위해 동위원소 표지 실험과 라만 분광 분석을 통해 메탄올 전환 과정을 실시간으로 검증했다.

연구팀은 자체 개발한 연속 공정형 전기화학 반응기를 활용해 메탄과 전해질을 효과적으로 공급하는 시스템을 구축했다. 이 장치는 가스 확산 전극을 통해 반응물 전달 저항을 최소화하고, 최적화된 조건에서 메탄올 생산 속도는 기존 대비 10배 빠른 10mmol g⁻¹ h⁻¹에 도달했다.
또한 100시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응이 지속됐다.

문준혁 교수는 “본 연구는 전기화학 기반의 메탄 전환 전략을 제시한 사례로, 탄소중립 연료 및 화학소재 생산으로의 확장이 가능하다”며, “이산화탄소 배출이 적고 전기 기반 공정이기 때문에 향후 수소 생산 기술과의 융합도 기대된다”고 밝혔다.

연구팀은 경제성 분석을 통해 기존 메탄올 생산 공정보다 약 50%의 탄소배출 저감 효과를 확인했으며, 공정 최적화와 신재생에너지 연계로 상용화 가능성을 높일 수 있다는 전망도 제시했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘C1 가스 리파이너리 밸류업 기술개발사업’의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 7월 4일자로 게재됐다.