용융 합금 촉매를 이용한 메탄 열분해 특성에 관한 연구

Abstract

수소 에너지는 사용 시 온실가스와 같은 대기 오염 물질을 배출하지 않는 이상적인 에너지로, 저장과 수송이 비교적 편리하다는 장점이 있다. 주로 사용되는 수소 생산 공정인 SMR(Steam Methane Reforming)은 물과 메탄 가스가 반응하여 CO2를 발생시키는데, 이는 대기 오염을 유발하고 CCS(Carbon Capture Storage) 기술을 필요로 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 CO2를 발생시키지 않는 MP(Methane Pyrolysis) 공정이 개발되고 있다. 본 연구는 메탄 열분해 반응을 통한 수소 생산과 고체 탄소 생성에 있어서 액상 금속 촉매의 효과를 연구하였다. 연구의 주요 목표는 NiSn 및 NiBi 액상 금속 촉매를 사용하여 메탄 열분해 반응을 진행하고, 각 촉매의 메탄 전환율과 반응 활성화 에너지를 비교 분석하는 것이다. 실험 후 결과로 NiBi 촉매와 NiSn 촉매를 사용하였을 때 촉매를 사용하지 않을 때 보다 더 높은 메탄 열분해 반응성을 보였다. 추가적으로, 메탄 열분해 반응 후 생성된 탄소의 특성을 라만 분광법을 통해 분석한 결과, 촉매를 사용한 경우 graphite와 유사한 구조의 탄소가 생성되었다. 대용량 반응기 실험에서는 4.5 kg의 NiSn 촉매를 사용하여 고유량의 메탄에서 수소 생산 양산화에 필요한 요인들을 확인해 볼 수 있었으며 액상 금속 촉매를 활용한 메탄 열분해 반응이 고효율 수소 생산과 고순도 탄소 생성에 효과적임을 확인하였다. 또한, Mo 금속이 액상 금속 촉매 내 Ni의 활성을 높여준다는 선행 연구를 따라 Mo 금속을 기반으로 3원의 용융 금속 촉매를 제조하고, 촉매 합성 방법에 따른 전환율을 비교하였다. NiMoO4/Bi 촉매의 800°C, 메탄 유량 10 sccm 조건에서 14.0%의 전환율을 확인할 수 있었다. 반응 후 생성된 가스는 GC를 통해 분석하였고, 반응이 끝난 촉매는 퀜칭을 통해 금속의 형태로 변환하여 XRD, SEM-EDS, ICP-OES로 분석하였다. 생성된 탄소는 Raman 분광기를 이용하여 분석하였다.