[연구] 온실가스 메탄, ‘플라즈마’ 만나 휘발유로 변신... 고효율 촉매 기술 개발

 

 

 

 

<좌측> 김주찬 박사, <우측> 하경수 지도교수

 

- 특수 설계된 ‘계층적 다공성 촉매’로 플라즈마 반응 효율 극대화 - 고온·고압 공정 없이 메탄을 가솔린·디젤 등 액체 연료로 직접 전환 - 탄소 침적 문제 해결하며 합성연료(e-Fuel) 상용화 가능성 열어

 

서강대 하경수 교수팀은, KAIST 이진우 교수팀, 서울대 한정우 교수팀과 공동연구하여 지구 온난화의 주범으로 꼽히는 메탄(CH₄)을 가솔린이나 디젤 같은 고부가가치 액체 연료로 손쉽게 바꿀 수 있는 획기적인 기술을 개발했다. 복잡하고 에너지가 많이 드는 기존 공정의 한계를 뛰어넘어, 차세대 합성 연료 생산의 길을 열어줄 것으로 기대하고 있다.

 

<그림> 비열 플라즈마 내 HP-TiO2 및 HP-SiO2의 개략도. (위) 계층적 다공성 촉매는 CH₄ 활성화를 촉진하며, 플라즈마-고체 계면에서 비중성 경계층인 데바이 쉬스가 형성되어 미세 방전 및 스트리머 형태로 전자를 밀어낸다. (아래) HP-TiO₂ 및 HP-SiO₂의 서로 다른 표면 특성이 CH₄ 직접 전환에 미치는 영향을 보여준다.

 

연구팀은 플라즈마 기술을 활용해 메탄을 탄소 사슬이 긴 탄화수소(C5~C16)로 직접 전환하는 ‘계층적 다공성 이산화티타늄/실리카(HP-TiO₂/SiO₂) 촉매’ 개발에 성공했다고 밝혔다.

메탄은 천연가스의 주성분으로 풍부하지만, 화학적으로 매우 안정되어 있어 다른 물질로 변환하기가 까다롭다. 기존에는 메탄을 합성가스로 만든 뒤 고온·고압에서 반응시키는 ‘피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch)’ 공정이 주로 쓰였으나, 막대한 에너지가 소모된다는 단점이 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘비열 플라즈마(Non-thermal Plasma)’ 기술과 이에 최적화된 새로운 촉매 구조에 주목했다. 연구팀이 개발한 촉매는 고분자 간의 상호작용을 정밀하게 제어하여, 마치 스펀지처럼 미세한 기공(Mesopore)과 큰 기공(Macropore)이 섞여 있는 ‘계층적 다공성 구조’를 띠고 있다. 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 조절함으로써, 별도의 고온 개질 과정 없이도 가솔린 및 디젤 범위의 탄화수소를 선택적으로 생산할 수 있게 됐다. 연구팀은 또한 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 큰 의미가 있다. 연구 관계자는 “이번 기술은 낮은 온도에서도 메탄을 유용한 액체 연료로 직접 전환할 수 있는 가능성을 보여준다”며 “향후 합성 연료 및 고부가가치 화학 제품 생산 공정의 에너지 효율을 높이는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 에너지와 환경 촉매 분야 최고의 권위지인 Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF 21.1, JCR ranking 1.2% in Engineering, Environmental)에 출간되었다 (주저자: 서강대 김주찬 박사, KAIST 반민경 박사과정, 포항공대 임현애 박사).

논문서지사항: Applied Catalysis B: Environment and Energy 386 (2026) 126437

논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126437