▲ 정대운 교수 연구팀의 스피넬 구조 혁신으로 고성능 요크-쉘 촉매 개발 연구 성과 관련 사진(제공=창원대)

[브레이크뉴스=이성용 기자] 국립창원대학교 환경에너지공학전공 정대운 교수 연구팀은 폐기물 유래 합성가스를 수소로 전환하는 고성능 촉매 기술을 개발하고, 이 성과를 환경공학 분야 상위 3% 국제학술지 『Chemical Engineering Journal(IF 13.2, JCR 상위 3.6%)』에 게재하는 쾌거를 이뤘다고 7일 밝혔다.

이번 연구는 폐기물 가스화 과정에서 생성된 합성가스(syngas) 내 고농도 일산화탄소(CO)를 수소(H₂)로 전환하기 위한 Zn–Co 기반 스피넬 촉매(ZnCo₂O₄)의 구조 설계와 성능 향상에 중점을 두었다. 

특히 연구팀은 기존 Co 기반 촉매의 고온 불안정성과 활성 저하 문제를 극복하기 위해 내부 핵(core)과 외부 껍질(shell) 사이에 빈 공간이 존재하는 ‘요크-쉘(yolk-shell)’ 구조를 활용하여 설계했다. 해당 촉매는 고온에서도 금속 응집과 구조 붕괴를 효과적으로 억제하여, 장시간 안정적인 수소 전환 반응을 유도할 수 있는 것이 특징으로 장시간 안정적인 수소 생산이 가능케 하였다.

개발된 촉매는 Zn:Co의 몰비를 최적화해 Zn–Co 간 상호작용을 극대화함으로써 안정적인 스피넬 구조를 구현하였고, 상용 공정 대비 약 200배 높은 수준의 반응조건에서도 30시간 이상동안 높은 전환율을 안정적으로 유지하는 데 성공했다. 이는 기존 상용 촉매 대비 열적 안정성, 구조적 내구성, 반응 효율이 모두 획기적으로 향상된 결과로, 폐자원 수소화 공정의 산업 적용 가능성을 한층 높인 기술로 평가받고 있다.

정대운 국립창원대 교수는 “이번 연구는 폐자원을 활용한 고부가가치 에너지 생산 기술을 한 단계 도약시킨 사례이며, ”구조 설계가 촉매의 성능에 매우 중요하다는 것을 입증한 결과“라며 “합성 공정 또한 간단한 만큼, 후속 실증과 상용화로 빠르게 이어질 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 중견연구자지원사업, 차세대 유망 Seed 기술 실용화 패스트트랙사업, G-LAMP사업, BK21 환경에너지융합교육연구단의 지원을 통해 수행되었으며, 연구팀은 앞으로 폐자원 기반 수소 생산 공정의 고도화와 친환경 촉매 기술의 국산화를 위한 후속 연구도 적극적으로 이어나갈 계획이다.

*아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다. '구글번역'은 이해도 높이기를 위해 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.

*Below is the [full text] of the English article translated using ‘Google Translate’.‘Google Translate’ is working to increase understanding.It is assumed that there may be errors in the English translation.

Professor Dae-Woon Jeong's research team at Changwon National University develops high-performance hydrogen conversion catalyst

Published in the top 3% world-renowned international journal in the field of environmental engineering, 'Chemical Engineering Journal'

Professor Dae-Woon Jeong's research team in the Department of Environmental Energy Engineering at Changwon National University announced on the 7th that they have developed a high-performance catalyst technology that converts waste-derived syngas into hydrogen and achieved the great feat of publishing this result in the top 3% international academic journal in the field of environmental engineering, 'Chemical Engineering Journal (IF 13.2, JCR top 3.6%)'.

This study focused on the structural design and performance improvement of a Zn–Co-based spinel catalyst (ZnCo₂O₄) to convert high-concentration carbon monoxide (CO) in syngas generated during the waste gasification process into hydrogen (H₂).

In particular, the research team designed it by utilizing the 'yolk-shell' structure, which has an empty space between the inner core and outer shell, to overcome the high-temperature instability and deactivation problems of existing Co-based catalysts. The catalyst effectively suppresses metal aggregation and structural collapse even at high temperatures, and is characterized by being able to induce stable hydrogen conversion reactions for a long time, enabling stable hydrogen production for a long time.

The developed catalyst optimized the molar ratio of Zn:Co to maximize the interaction between Zn and Co, thereby realizing a stable spinel structure, and successfully maintained a high conversion rate for more than 30 hours even under reaction conditions that were approximately 200 times higher than those of commercial processes. This is a result of dramatically improved thermal stability, structural durability, and reaction efficiency compared to existing commercial catalysts, and is evaluated as a technology that greatly increases the industrial applicability of the waste resource hydrogenation process.

Professor Jeong Dae-woon of Changwon National University said, “This study is a case that has taken the high value-added energy production technology using waste resources to the next level, and it is a result that proves that structural design is very important for the performance of the catalyst,” and “Since the synthesis process is also simple, it can quickly lead to follow-up verification and commercialization.” This study was conducted with the support of the Mid-career Researcher Support Project, the Next-Generation Promising Seed Technology Commercialization Fast Track Project, the G-LAMP Project, and the BK21 Environmental Energy Convergence Education Research Group, and the research team plans to actively continue follow-up research to advance the waste resource-based hydrogen production process and domestically produce eco-friendly catalyst technology.