2021-07-16

    我校共同研究组开发出了使用城市燃气或天然气的主要组成成分甲烷来生产氢和碳的催化反应技术。因此，该技术有望成为同时大量生产环保、低成本氢燃料和高纯度、高附加值碳的尖端能源技术。

    徐亨卓教授（新材料工学系·研究生院能源系统系）和金裕权教授（化学系·研究生院能源系统系）共同研究组表示，利用注入液态合金催化剂和锆石粒子的垂直气泡反应器，开发出了甲烷直接转换氢气气体·固体碳生产技术。相关内容以《利用氧化锆颗粒和熔融液态合金的气泡颜色反应器产生的甲烷提高二氧化碳无排放氢的生产效率(Enhanced Efficiency in CO2-free Hydrogen Production from Methane in a Molten Liquid Alloy Bubble Column Reactor with Zirconia Beads)》的论文，刊登在化学工学领域的国际学术杂志《化学工程杂志(Chemical Engineering Journal, IF=13.273)》7月7日的网络版上。作为共同第一作者，亚洲大学研究生院博士生李英宰和卢容圭博士共同参与，博士生金镇雅和尚卡拉·卡拉纽尔（Shankara Kalanur）教授也一同参与了课题。

    氢气作为燃料使用后排出水的代表性清洁燃料源，最近作为新一代能源燃料备受关注，在整个产业中正在扩大利用领域。为了大量生产作为燃料的氢气，主要使用对化石燃料进行改质（reforming）的方式，在此过程中，氢气生产重量的9倍以上的二氧化碳（CO2）也将同时排放。

    因此，为了减少具有代表性的温室气体二氧化碳的排放，最近对利用电力或太阳能的光电化学性水解技术的研究非常活跃。但是，由于生产单价比现有的化石燃料改质方式高出5~6倍以上，而且难以大量生产，所以一直存在局限性。因此，为了利用作为完全清洁燃料的氢能实现"氢能经济"，急需开发廉价而不排放二氧化碳的大规模氢能生产技术。

    亚洲大学研究组关注了城市煤气和天然气的主要成分甲烷气(CH4)。如果甲烷气体使用固体催化剂在1000℃以上的高温下进行热分解，就可以获得气体形态的氢和固体形态的碳。但是，以这种方式生产的固体碳存在非活性化问题，因此一直存在难以商用化的局限性。因为固体碳堆积在催化剂表面，最终会阻止表面的甲烷化学反应，从而导致反应活性急剧消失。

    为了克服这种局限点，最近学界一直关注利用熔点低的液态合金催化剂（融点低的锡等低熔点金属和催化活性高熔点镍等金属混合而成的液态金属催化剂）的方法。这是向熔融的液态合金内部注入沼气，产生氢气的同时，液态催化剂表面碳层因密度差异而漂浮、反应持续，并获得固体碳的"熔融催化甲烷直接转换技术"。

    共同研究组开发出了以"熔融催化甲烷直接转换技术"为基础的新方式。为了查明利用液态催化剂分解甲烷的反应中，甲烷在液态催化剂内部停留的时间和减少甲烷气体的泡沫尺寸，最大化甲烷气和液态催化剂界限的表面面积是提高反应效率的重要因子，所以采用了不同于以往的方式。研究组在反应器内部液态催化剂中追加使用了氧化锆（氧化锆和氧的化合物（ZrO2）。成功开发出了混入熔点高、不易腐蚀、常温下呈白色晶体）粒子，最大程度地减少甲烷泡沫大小、复杂化气体油路、增加机体滞留时间的新型反应器结构。

    引入新的反应器结构后，研究组确认了高氢转换率和出色的反应耐久性。在低于现有温度（1000℃以上）的985℃的约37%甲烷中实现了氢转换率，在150小时以上的长时间生产中催化剂的活性反而增加。一般来说，在1000℃以下的甲烷热分解反应中，虽然有减少反应器材质所需费用或热能费用的好处，但也存在转换率急剧下降的问题，亚洲大学研究组克服了这些问题，在低温下完成了最高水平的转换率和连续反应记录。

    研究组通过新方法获得的碳呈现出高纯度、高附加值的碳形态（纳米管及纤维条）。这种高纯度、高附加值的碳可以用作电池或燃料电池的材料。不仅可以大量生产氢气，还可以生产利用性更广的碳素材料。

    徐亨卓教授诊断称:"随着强化二氧化碳排放限制的动向，以现有化石燃料为基础的氢气生产方式，费用不可避免地会上升"，"从开启了环保性、费用低的新氢气大量生产之路这一点来看，此次研究意义重大。"

    徐教授接着表示:"特别是如果以高纯度、高附加值的形式连续获得氢气的同时可以获得的碳，就能确保卓越的经济性，因此今后将以实用化为目标继续进行研究。"

    另外，此次研究由产业资源通商资源部、韩国产业技术评价管理院主管的产业技术阿尔基米斯特项目和科学技术信息通信部、韩国研究财团主管的C1天然气管道项目支援进行。

    利用熔融液态合金催化剂直接分解甲烷的氢和碳生产概念图:将甲烷注入液态合金催化剂和锆混入的反应器中加热，高纯度氢在液态催化剂内部形成，同时形成碳纤维。 碳纤维密度最低，因此表面富有，因此催化反应性没有异常，可以长时间连续生产氢气和碳。

*最上面照片说明:照片左起为徐亨卓教授、李英宰博士生、金镇雅博士生、金裕权教授

（注：本文出现的人名均系音译）