탄소중립 시대, 촉매 기술의 현재를 묻다 – 2편
2025.05.12
한국화학공학회 희성촉매 심포지엄 리뷰 (2)
지난 1편에서는 심포지엄 발표 내용 중, 온실가스 저감을 위한 기후·환경 촉매 기술과 미래 배기가스 규제 대응을 위한 자동차 촉매 기술 개발 동향을 살펴보았습니다. 이번 2편에서는 수소 생산과 활용을 뒷받침하는 촉매 기술과 연료전지·수전해용 전극촉매 개발 현황을 소개합니다.
수소, 탈탄소화의 중심으로 떠오르다
기후 위기 대응과 탄소중립 달성을 위해 전 세계는 화석연료 중심의 산업 구조를 전환하고 있습니다. 그 변화의 중심에 ‘수소’가 있습니다. 전력을 저장하고 다양한 산업에 연료로 활용될 수 있는 수소는 단순한 에너지 대체재가 아니라, 산업·발전·모빌리티 전반에서 탈탄소화를 앞당기는 핵심 동력입니다.
딜로이트의 ‘기후기술과 수소경제 미래’ 보고서에 따르면, 2050년 전 세계 수소 생산량은 현재의 약 5배인 연간 2억 5,900만 톤에 이를 것으로 예상되며 이 가운데 78% 이상이 그린 수소*와 블루 수소* 등 청정 수소로 전환될 전망입니다.
현재는 수소 경제의 기반을 다지고 초기 시장을 형성하는 단계입니다. 향후 청정 수소 생산 확대와 국가별 전략 강화, 경제성 확보를 거쳐 2040년 이후에는 수소 중심 에너지 체계가 본격화될 것으로 예상됩니다.
*그린 수소: 재생에너지를 활용한 수전해 방식으로 생산한 수소
*블루 수소: 화석연료 기반 생산 과정에서 발생하는 CO₂를 포집·저장해 탄소 배출을 줄인 방식으로 생산한 수소
수소 중심 에너지 체계를 구축하기 위해서는 수소의 생산부터 저장, 운송, 활용까지 전 과정에서 기술적 효율성과 경제성을 확보하는 것이 관건입니다. 이때 핵심 역할을 하는 것이 바로 ‘촉매’입니다.
수소 경제를 실현하는 데 필요한 다양한 공정과 시스템에서, 촉매는 반응 효율을 높이고 에너지 소비를 줄이며 오염물질을 제어하는 중요한 기반 기술로 작용합니다.
산업을 움직여온 촉매 기술
촉매 기술은 현대 산업 발전에서 주요한 역할을 수행해 왔습니다. 1875년 황산 제조를 시작으로 화학공업 전반에 필수적인 기술로 자리잡았고, 이후 석탄 기반 산업사회에서는 핵심 공정 기술로 빠르게 확산되었습니다. 1970년대에는 자동차 배기가스 저감을 위한 삼원촉매(Three-Way Catalyst; TWC) 개발을 계기로 환경 규제 대응이 본격화됐으며, 1990년대 이후에는 미국, 유럽, 일본 등 선진국을 중심으로 대규모 촉매 생산 체계가 구축됐습니다. 2010년대에 들어서는 탄소중립 실현과 에너지 전환이라는 시대적 과제에 대응하기 위해, 친환경 에너지 소재와 온실가스 저감 촉매 기술 개발이 가속화되고 있습니다.
오늘날 촉매 기술은 단순히 화학 반응을 촉진하는 데 그치지 않습니다. 에너지 효율을 높이고, 온실가스를 줄이며, 청정 연료 생산까지 이끄는 핵심 솔루션으로 떠올랐습니다. 태양광·풍력 등 재생에너지 시스템의 효율 향상, 바이오매스를 연료와 화학원료로 전환하는 기술, 전기차·수소차 확산에 따른 고기능 촉매 수요도 꾸준히 증가합니다. 이 밖에도 합성가스를 활용한 청정 연료 생산, 수소 산업 전 주기를 뒷받침하는 기술, CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 공정의 고도화 등이 주요 성장 분야로 꼽힙니다. 에너지 전환과 탄소중립을 이끄는 핵심 기술로, 촉매의 역할은 더욱 커지고 있습니다.
수소 경제 실현을 위한 토탈 촉매 솔루션
희성촉매는 수소 경제의 확산과 탄소중립 실현을 위해 수소 산업의 가치사슬(Value Chain) 전반을 포괄하는 촉매 기술로 보다 효율적이고 지속가능한 수소 생태계를 조성하는 것을 목표로 합니다.
이를 위해 수전해, 개질, CO₂ 전환, 암모니아 분해 등 다양한 수소 생산 공정에 최적화된 촉매 기술을 확보해 왔습니다. 저장과 운송 단계에서는 연료 손실과 오염물질 배출을 최소화하는 것이 핵심이며, 이 과정에서 발생할 수 있는 미처리 연료와 2차 오염물질을 제어할 수 있는 촉매 솔루션도 함께 갖추고 있습니다.
또한, 수소를 전기에너지로 바꾸는 연료전지 시스템에서는 전극촉매의 반응 효율성과 내구성이 핵심 성능을 결정합니다. 희성촉매는 다양한 연료전지 타입에 맞는 고성능 촉매를 적용해 수소 활용 기술의 신뢰성과 경제성을 함께 높이고 있습니다.
희성촉매는 이러한 기술 비전을 바탕으로, 한국화학공학회 희성촉매 특별 심포지엄에서 수소 기반 촉매 기술의 연구 성과와 개발 방향을 소개했습니다. 발표에서 다룬 주요 내용을 중심으로, 수소 생산부터 저장·활용, 그리고 전극촉매 개발까지의 기술 개발 현황을 살펴보겠습니다.
수소 사회를 향한 수소 생산 및 활용을 위한 촉매 기술
희성촉매는 화학촉매 기술을 바탕으로 수소 생산 공정, 저장 시스템, 활용 제품 등 수소 산업 전반에 적용 가능한 솔루션을 개발하고 있습니다.
1. 수소 생산 단계
1) 탈황 촉매(Desulfurization Catalyst)
수소 생산 공정의 첫 단계는 연료가스에 포함된 황(Sulfur)을 제거하는 일입니다. 황이 잔류하면 이후 개질이나 수성가스 전환(Water-Gas Shift; WGS) 반응에서 촉매를 급격히 피독시켜 공정 효율과 경제성에 큰 영향을 미치기 때문입니다.
희성촉매는 두 가지 방식의 탈황 솔루션을 개발하고 있습니다. 저온에서는 Cu/Zeolite 및 Cu-Mn 복합 촉매를 활용한 흡착 기술로 THT(Tetrahydrothiophene), TBM(Tertiary Butyl Mercaptan) 등 황화합물을 제거하고, 고온에서는 HDS(Hydrodesulfurization) 반응과 ZnO 기반 흡착 촉매를 통해 황 성분을 효과적으로 제거합니다. 이를 통해 전체 수소 생산 공정의 촉매 수명을 획기적으로 연장하고 있습니다.
2) 메탄개질 촉매(Methane Reforming Catalyst)
메탄(CH₄)은 가장 저렴하고 풍부한 수소원으로, 희성촉매는 메탄을 수소로 전환하는 다양한 개질 공정에 대응할 수 있는 촉매를 개발하고 있습니다.
- 증기 개질(Steam Methane Reforming; SMR):CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
- 건식 개질(Dry Reforming of Methane; DRM):CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂
- 부분 산화 개질(Catalytic Partial Oxidation; CPOX):CH₄ + ½O₂ → CO + 2H₂
- 자가열 개질(Auto Thermal Reforming; ATR): SMR과 CPOX를 결합해 공정 열균형을 최적화한 방식
희성촉매는 공정별 요구 조건에 맞는 Ni, Ru, Ni-M 합금 촉매를 개발 중이며, 고온·장기 운전 환경에서도 안정성을 유지할 수 있도록 담지체 설계와 내황성 강화를 함께 추진하고 있습니다.
3) 수성가스 전환 촉매(Water Gas Shift Catalyst)
메탄 개질 후 생성된 합성가스에 남아 있는 CO를 수소로 전환하는 공정입니다.
CO + H₂O → CO₂ + H₂
희성촉매는 고온용(Fe₂O₃ 기반)과 저온용(Cu-ZnO-Al₂O₃ 기반) 촉매를 모두 개발하고 있으며, 공정 앞단과 뒷단에 각각 적용해 전체 수소 수율을 극대화하고 있습니다.
2. 수소 저장·운송 단계
1) 암모니아 분해 촉매(Ammonia Cracking Catalyst)
암모니아(NH₃)는 탄소를 포함하지 않으며, 수소 저장 능력도 뛰어난 물질로 주목받고 있습니다. 다만 고온 반응, NOx 발생 제어, 독성 등 기술적 과제가 따릅니다. 희성촉매는 암모니아 분해 효율을 높이고 NOx 발생을 억제할 수 있는 촉매 기술을 개발하며, 암모니아 기반 수소 저장·운송 솔루션의 상용화를 준비하고 있습니다.
2) 액상 유기 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier; LOHC) 저장 촉매
LOHC는 수소를 유기화합물에 저장해 상온·상압에서 운송할 수 있는 기술입니다. 희성촉매는 수소 탈착(Dehydrogenation) 반응의 효율을 높이는 특수 촉매를 개발하고 있으며, 이를 통해 LOHC 시스템의 경제성과 신뢰성을 강화하고 있습니다.
3. 수소 활용 단계
1) 메탄올 합성 촉매(Methanol Synthesis Catalyst)
수소와 CO 또는 CO₂를 반응시켜 메탄올을 합성하는 공정에 적용되는 Cu 기반 촉매를 개발 중입니다.
CO + 2H₂ → CH₃OH
CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O
메탄올은 수소 저장, 연료, 화학제품 원료 등 다양한 용도로 활용되며, 수소 경제를 실현하는 중요한 매개체로 평가받고 있습니다.
2) FT(Fischer-Tropsch) 합성 촉매
합성가스(Syngas)를 활용해 디젤, 가솔린 같은 액체 연료를 생산하는 FT(Fischer-Tropsch) 촉매도 개발하고 있습니다. Co 기반은 고순도 CO에, Fe 기반은 CO₂가 포함된 환경에 각각 최적화되어 있어 다양한 연료 생산 환경에 대응할 수 있습니다.
3) 지속가능항공유(Sustainable Aviation Fuel; SAF) 생산 촉매
수소와 CO₂를 이용해 항공 연료(E-jet)를 생산하는 Methanol-to-Jet 및 FT 촉매도 함께 개발 중입니다. 항공 부문의 탄소 배출을 줄이기 위한 SAF 기술로, 탄소중립 전략의 핵심으로 주목받고 있습니다.
연료전지 및 수전해용 전극촉매 기술 개발 현황
수소 에너지 구현의 열쇠, 전극촉매 고도화 전략
수소의 생산과 활용을 실제 에너지 시스템으로 연결하기 위해서는, 연료전지와 수전해 시스템의 성능을 좌우하는 전극촉매의 역할이 매우 중요합니다.
희성촉매는 고활성·고내구성 귀금속 촉매 설계를 바탕으로 입자 및 표면 구조 제어, 지지체 최적화를 통해 연료전지와 수전해용 전극촉매의 성능을 끌어올리고 있습니다.
1. 연료전지용 전극촉매
1) 고분자전해질막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC) 전극촉매
PEMFC는 수소 연료전지 중 가장 널리 사용되는 시스템으로, 고출력 밀도와 빠른 시동 특성을 갖습니다. 희성촉매는 고활성 Pt 기반 촉매를 바탕으로 다양한 Pt 함량 조건에 대응하고 있으며, Pt-Co, Pt-Ni 등 합금 촉매 설계를 통해 Pt 사용량은 줄이되 고활성을 유지하는 기술을 확보했습니다. 또한, Pt-enriched skin 구조를 적용해 전이금속 용출을 억제하고, 메조 다공성 담체 설계를 통해 활성 부위 노출과 가스 확산을 최적화함으로써 연료전지 스택 성능을 극대화하고 있습니다.
2) 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC) 전극촉매
고온 운전 환경에서 안정적인 출력을 유지하는 PAFC 시스템은 내열성과 촉매층 구조 안정성이 핵심입니다. 희성촉매는 고내구성 카본 담체 기반 촉매와 Pt-X 계열의 코어-셸 합금 촉매를 개발하고 있으며, 촉매 입자의 용출 억제와 산화·환원 주기 내 성능 유지에 중점을 둔 귀금속 조성 최적화 기술을 적용하고 있습니다. 특히, 3-layer Pt skin 구조를 통해 80,000시간 이상의 장기 운전 수명을 실현하는 것을 목표로 고내구성 설계를 고도화하고 있습니다.
2. 수전해용 전극촉매
1) 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction; HER) 촉매
수전해 과정에서 낮은 과전압으로 수소를 생성할 수 있도록, 고활성 Pt 기반 촉매를 개발하고 있습니다.
2) 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction; OER) 촉매
OER 반응에는 IrOx 기반 촉매를 적용하고 있으며, Ir 사용량을 줄이면서도 내구성과 활성도를 유지할 수 있도록 IrOx-MOx 복합 촉매 기술을 함께 개발 중입니다.
3. 전극촉매 제조 및 평가 인프라
희성촉매는 실험실 수준부터 양산 단계까지 대응 가능한 전극촉매 제조 설비를 갖추고 있으며, 촉매 분석 장비, 전기화학 평가 장비, 잉크 제조 및 MEA(Membrane Electrode Assembly) 제작 설비까지 모두 구축하여 촉매 개발부터 실제 스택 적용까지 전 주기 평가가 가능한 One-Stop 검증 체계를 운영하고 있습니다.
수소 경제 대응을 위한 기술 파트너
제품 공급을 넘어, 수소 경제 확산을 선도하는 Total Solution Provider로 나아갑니다.
희성촉매는 기존의 촉매 개발·평가·생산 중심에서 더 나아가, 공정 설계, 실증 운영, 통합 솔루션 제공까지 수소 산업 전반을 아우르는 기술 지원 체계를 구축해 왔습니다. 특히 전극촉매 분야에서는 연료전지용 합금 구조 설계, 탄소 지지체 최적화, 귀금속 사용량 저감 기술을 바탕으로 성능과 내구성을 동시에 끌어올리고 있으며, 수전해 시스템 대응 기술도 장기 내구성과 경제성 중심으로 고도화하고 있습니다.
이러한 기술 개발과 사업 구조 혁신으로 수소의 생산부터 저장, 활용에 이르는 전 주기 전반에 걸쳐 고객 맞춤형 촉매 솔루션을 제공합니다. 수소 사회로의 전환이 본격화되는 지금, 산업 현장에 실질적인 해법을 제시하는 기술 파트너가 되겠습니다.
‘탄소중립 사회를 향한 희성촉매의 현재와 미래’를 주제로 열린 본 심포지엄은, 에너지 전환과 환경 문제 해결이라는 시대적 과제에 대한 희성촉매의 기술적 대응과 비전을 공유하는 자리였습니다. 수소 산업 전 주기에 걸친 촉매 기술과 전극촉매 개발 전략을 바탕으로, 변화의 중심에서 기술로 해답을 제시하겠다는 의지를 다시 한번 확인했습니다.
앞으로도 희성촉매는 한국화학공학회를 비롯한 학계 및 연구기관과의 협력을 강화하고, 개방형 혁신을 통해 고객과 함께 실질적인 변화를 만들어가겠습니다. 축적된 기술력과 통합 솔루션을 바탕으로, 탄소중립 사회 실현을 앞당기는 데 기여하겠습니다.
