국내 연구진이 온실가스 중 하나인 메탄을 실온에서 화학적으로 전환할 수 있는 기술을 개발했다. 메탄을 자원화하는 동시에 온실가스 저감까지 가능하다는 점에서 주목된다.

한국연구재단은 문준혁 고려대 교수 연구팀이 이산화이리듐(IrO₂) 촉매를 이용해 메탄을 메탄올로 선택적으로 전환하는 전기화학 반응 메커니즘을 규명했다고 7일 밝혔다.

메탄은 천연가스의 주성분으로 대기 중에 자연적으로 존재하지만 온실효과를 유발하는 효과가 이산화탄소보다 약 25배 높다. 메탄올처럼 저장성과 수송 효율이 높은 화합물로 전환하면 연료로 활용할 수 있어 산업적 활용도가 높다. 메탄은 화학적으로 매우 안정적인 상태로 선택적 산화 반응을 유도하는 데 어려움이 있어 그동안 전환 기술 개발이 쉽지 않았다.

연구팀은 전기화학 반응 조건에서 탄산 이온이 이산화이리듐 촉매의 특정 환경에서 반응성이 높은 산소종을 생성한다는 사실을 확인했다. 산소종은 산소 원자나 분자가 반응성 있는 형태로 존재하는 물질이다.

연구팀은 이어 생성된 고활성 산소종이 메탄과 반응해 메탄올을 선택적으로 생성하는 과정을 규명했다. 이때 사용된 이산화이리듐 촉매는 높은 안정성과 전기화학 반응 활성을 갖는 물질로 메탄의 산화를 정밀하게 유도하는 데 핵심 역할을 했다.

연구팀은 메탄을 기체 상태로 공급하며 연속 반응이 가능한 전기화학 장치도 자체 개발했다. 개발된 장치는 메탄과 전해질을 촉매 표면에 효과적으로 전달할 수 있도록 구성돼 반응물의 전달 저항을 최소화했다. 최적 조건에서 메탄올 생산 속도는 기존 기술 대비 약 10배 향상된 시간당 10밀리몰(mmol) 수준에 도달했다. 100시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.

이러한 전환 경로는 동위원소 표지 실험과 라만 분광 분석 등 실험 기법을 통해 입증됐다. 문준혁 교수는 “이번에 개발된 기술은 실온에서 작동하며 공정 전반에서 이산화탄소 배출이 적다”며 “전기를 기반으로 하기 때문에 수소 생산 기술과의 연계도 가능하다”고 밝혔다. 이어 “탄소중립형 연료 및 화학 소재 생산 공정으로의 확장이 기대된다”고 설명했다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 카탈리시스'에 4일 게재됐다.