이번 연구를 수행한 김정랑(윗줄 왼쪽 두 번째) 한국화학연구원 박사 연구팀.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 골칫거리 이산화탄소를 휘발유·나프타와 같은 액체 탄화수소로 바꾸는 획기적 기술을 개발했다. 하루 50kg 규모 시범 생산에도 성공했다.

한국화학연구원 김정랑 박사팀은 GS건설, 한화토탈에너지스㈜와 함께 수소와 이산화탄소를 중간단계 없이 직접 반응시켜 액체 탄화수소로 만드는 촉매·공정 기술을 개발했다.

김 박사팀은 하루 5kg 생산 규모의 미니 파일럿 플랜트 연구로 2022년 GS건설과 한화토탈에너지스㈜에 기술이전을 완료한 바 있다. 공동 연구팀은 2025년 말 국내 최초로 하루 50kg의 액체 탄화수소 생산이 가능한 이산화탄소 직접 수소화 파일럿 플랜트를 구축하고 향후 연간 10만톤 이상 생산 가능한 상용공정 설계에 나설 계획이다.

최근 중동 호르무즈 해협 봉쇄로 인해 석유·나프타 수급이 어려워지면서 발전소·공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 자원화하는 기술이 주목받고 있다. 자동차 연료용 휘발유 및 플라스틱 생산의 원료인 나프타 등을 만드는 데 쓰이는 석유를 이산화탄소로 대신할 수 있기 때문이다.

기존 전환방식은 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾼 뒤, 이를 액체 탄화수소로 만드는 2단계의 간접전환 기술이었다. 이산화탄소에서 산소 원자를 하나 분리하여 일산화탄소를 만드는 역수성가스 전환반응은 800℃ 이상 고온이 필요하다. 반면 일산화탄소와 수소가 반응해 탄화수소를 합성하는 피셔-트롭쉬 반응은 상대적으로 낮은 온도, 높은 압력이 필요하여 설비가 복잡했다.

연구팀은 단일 공정으로도 반응이 일어나는 촉매로 이를 해결했다. 기존 고온 역수성가스 전환반응 없이, 이산화탄소와 수소가 바로 반응해 액체 탄화수소를 만들 수 있는 직접전환 기술이다.

CO2 수소화 촉매(왼쪽), CO2로부터 생산된 액체 탄화수소.[한국화학연구원 제공]

이 기술은 약 300℃(270~330℃)와 20bar(10~30bar) 수준의 비교적 온화한 조건에서 작동한다. 현재 이산화탄소가 휘발유 등 액체 탄화수소로 바뀌는 합성 수율은 다단 반응 및 미반응물을 다시 반복 반응시키는 순환 공정을 적용하여 50% 수준의 수율을 얻을 수 있으며, 하루 생산량은 50kg으로 20리터 용기(제리캔, 말통) 3개 정도 분량이다.

이번 성과는 상용화 기반 기술 확보라는 측면에서 의미가 크다. 촉매 제조와 운전 조건을 개선해 안정성을 높였으며, 기존 방식 대비 에너지 사용을 줄일 수 있고 공정이 단순해 생산 비용 절감에 유리하다.

연구팀은 파일럿 플랜트 운전과 최적화를 통해 장기간의 실증 데이터를 축적하고, 이를 토대로 연간 10만 톤 이상 규모의 상용 공정 설계와 경제성 분석, 그리고 온실가스 감축 효과 평가를 진행할 계획이다. 상용화 성공 시 대체 원료 체계 구축을 통해 석유 수입 의존도를 낮추고 에너지 안보를 강화하는 효과도 예상된다.

김정랑 박사는 “향후 장기 운전 데이터와 경제성 분석을 거쳐 2030년대 초반 본격 사업화가 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 화학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’ 3월호 표지논문으로 게재됐다.