세계 에너지 구조의 급격한 변화와 첨단 소재 수요의 동시 증가라는 배경 속에서, 탄소 배출량을 줄이면서 고부가가치 소재를 대규모로 생산하는 방법은 재료 과학 및 에너지 공학 분야의 핵심 과제로 떠오르고 있습니다. 최근 케임브리지 대학교 연구팀은 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 이 문제에 대한 새로운 기술적 해결책을 제시하는 연구 결과를 발표했습니다. 메탄 열분해 및 부유 촉매 화학 기상 증착(FCCVD) 공정을 체계적으로 재구성함으로써, 전 공정에서 이산화탄소 부산물 없이 탄소 나노튜브와 청정 수소 가스를 동시에 생산하는 데 성공했습니다.

이러한 성과의 핵심은 기존 메탄 열분해 시스템의 공정 논리를 근본적으로 변화시킨 데 있습니다. 천연가스와 바이오가스의 주성분인 메탄은 오랫동안 수소 생산 및 탄소 소재의 중요한 원료로 여겨져 왔습니다. 그러나 주류 공정인 수증기 메탄 개질법은 필연적으로 일산화탄소와 이산화탄소를 발생시켜 "저탄소 수소 생산"이라는 목표 달성에 걸맞지 않은 것으로 평가되어 왔습니다. 반면, 메탄 열분해 반응은 이론적으로 메탄을 고체 탄소와 수소 가스로 직접 분해하여 산소의 반응 참여를 배제하고 이산화탄소 배출 위험을 근본적으로 제거할 수 있습니다.

이전 연구 및 산업 현장에서 메탄 열분해는 주로 다음과 같은 준비 경로 중 하나로 여겨져 왔습니다. 탄소 나노튜브 메탄 열분해의 부산물인 수소 가스는 일반적으로 무시되거나 부수적인 생성물로만 존재합니다. 케임브리지 대학교 연구팀은 탄소 나노튜브의 품질을 저하시키지 않으면서 수소 수율을 크게 향상시킬 수 있다면 메탄 열분해 공정을 "재료 공정"에서 "재료 에너지 결합 공정"으로 격상시킬 수 있다는 점에 주목했습니다. 이러한 접근 방식은 FCCVD 시스템의 오랜 효율성 병목 현상을 직접적으로 해결합니다.

기존의 FCCVD 공정은 메탄을 탄소원으로 사용하고 고온 조건에서 기체상 촉매를 이용하여 고품질의 고종횡비 탄소나노튜브를 생성하는데, 이는 배터리 전도성 물질이나 고급 복합재료와 같은 분야에서 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 이 공정은 메탄 희석 및 연기와 분진 발생 방지를 위해 외부 수소 투입에 크게 의존합니다. 이러한 설계는 증폭 과정에서 두 가지 제약을 초래합니다. 첫째, 대량의 사전 수소 생산 설비가 필요하고, 둘째, 반응 가스가 일반적으로 단방향 흐름 방식을 채택하여 미반응 메탄이 배기가스와 함께 대량으로 배출되므로 전체적인 원자 이용 효율이 낮아집니다.

캠브리지 연구팀의 획기적인 성과는 바로 이러한 "일방향 고손실" 모델에 기반합니다. 그들은 메탄이 반응기 내 고온 열분해 영역을 반복적으로 통과하여 완전히 전환될 수 있도록 하는 다단계 순환 가스 흐름 방식을 제안하고 검증했습니다. 이 밀폐 시스템은 더 이상 외부 수소 가스에 의존하지 않고, 반응 자체를 통해 적절한 가스 조성을 점진적으로 확립함으로써 연기 발생을 억제하고 탄소 나노튜브의 제어 가능한 성장을 유지합니다.

실험 설계에서 연구진은 실험실 규모의 다중 통과 FCCVD 반응기를 제작했습니다. 메탄 가스는 약 1300°C의 고온 열분해 환경에서 순환합니다. 각 반응 단계 후, 가스의 약 1%만 수소 분리를 위해 추출되고 나머지 가스는 반응 영역으로 다시 유입되어 반응에 계속 참여합니다. 생성된 탄소 나노튜브는 지속적으로 확산되어 수집되었으며, 기체상에 존재하는 다른 탄화수소와 미량의 황화수소는 탄소 나노튜브의 성장에 큰 영향을 미치지 않았습니다.

이 순환 전략을 통해 얻은 효율 향상은 매우 중요합니다. 연구 데이터에 따르면 기존의 단방향 FCCVD 반응기와 비교했을 때, 이 시스템의 탄소 수율은 8.7배 증가했으며, 분자 수준의 이용 효율을 나타내는 몰 공정 효율은 446배 증가했습니다. 이는 시스템에 투입되는 모든 가스 분자가 더욱 완전하게 전환 및 이용되어 반응기 폐기물 배출량이 크게 감소함을 의미합니다.

추가적인 모델 분석 결과, 산업적 매개변수 조건에서 다단계 반응기는 이론적으로 시스템 내 공급 가스의 약 75%를 목표 생성물로 전환할 수 있으며, 탄소 나노튜브와 수소의 생성물 비율은 약 3:1인 것으로 나타났습니다. 이 비율은 서비스 소재 산업과 수소 에너지 응용 분야 모두에 실질적인 의미를 갖습니다. 첫째, 탄소 나노튜브는 리튬 이온 배터리의 전도성 첨가제로 사용될 수 있으며, 전력 배터리 및 에너지 저장 시장의 확장에 따라 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다. 둘째, 부산물인 수소는 추가적인 탄소 배출 없이 안정적인 생산물을 형성하여 수소 에너지 시스템에 잠재적인 저탄소 에너지원을 제공합니다.

주목할 만한 점은 연구팀이 메탄과 이산화탄소 혼합물을 원료로 사용하여 바이오가스와 같은 재생 가능한 가스원의 구성 성분을 검증했다는 것입니다. 이러한 실험 설계는 해당 기술의 적용 범위를 더욱 확장하여 화석 에너지 시스템에만 국한되지 않고 바이오매스 에너지 및 농업 폐기물 처리 시스템과 결합될 가능성을 제시합니다. 이러한 시나리오에서는 이산화탄소가 직접 배출되지 않고 원료 시스템의 일부인 고체 탄소 물질에 "고정"되어 새로운 탄소 순환 경로를 형성하게 됩니다.

산업적 관점에서 이 연구의 가치는 단기적으로 기존 수소 생산 또는 탄소 나노튜브 산업 지형을 뒤흔드는 데 있는 것이 아니라, 고도로 통합된 공정 접근 방식을 제시하는 데 있습니다. 즉, 반응기 구조와 가스 관리 방식을 재구성함으로써 동일 시스템 내에서 물질 준비와 에너지 생산을 동시에 달성할 수 있다는 것입니다. 이러한 "공정 결합" 개념은 신소재 산업의 대규모 저탄소 개발이라는 현재 추세에서 가장 희소한 역량 중 하나입니다.

물론 실험실용 반응기부터 산업용 장치에 이르기까지 고온 시스템의 장기 안정성, 가스 분리 및 순환 제어 비용, 촉매 수명, 탄소 나노튜브의 연속적인 수집의 일관성 등 여전히 많은 공학적 과제가 남아 있습니다. 하지만 케임브리지 대학교 연구팀이 제안한 다중 통과 FCCVD 방식은 반응 효율과 자원 활용 측면에서 메탄 열분해에 대한 새로운 기준을 제시했다는 점은 분명합니다.

수소 에너지와 첨단 탄소 소재에 대한 세계적인 수요가 동시에 증가하는 가운데, 본 연구 성과는 전통적인 에너지 분자인 메탄을 새로운 관점에서 재정의합니다. 메탄은 더 이상 단순한 연료나 화학 원료가 아니라, 청정에너지와 첨단 소재를 연결하는 핵심 요소입니다. 만약 이 기술이 미래에 안정적으로 확산될 수 있다면, 특정 산업을 넘어 저탄소 산업 시스템 전반의 혁신을 이끌어내는 중요한 사례가 될 수 있을 것입니다.

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