서강대학교 화공생명공학과 하경수 교수 연구팀, 메탄을 액체 연료로 직접 전환하는 고효율 촉매 기술 개발

▲ (좌측부터) 서강대학교 화공생명공학과 하경수 교수, 김주찬 박사

   서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 하경수 교수 연구팀은, 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.

▲ 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”라며 “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