"수소환원제철 속도 2배로"…니켈산화물이 '게임체인저'

탄소 배출 없는 '수소환원제철' 기술의 상용화를 앞당길 핵심 촉매 기술이 개발됐다.

독일 막스플랑크 지속가능소재 연구소(MPI-SusMat) 연구팀은 11일(현지시간) 국제학술지 '네이처 신세시스'에 니켈산화물을 촉매로 사용해 수소환원제철의 생산 속도를 2배 높이는 기술을 발표했다.

철강 산업은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 10%를 차지하는 대표적인 탄소 다배출 업종이다. 이 때문에 각국은 탄소 대신 수소를 환원제로 사용해 철을 생산하는 수소환원제철 기술 개발에 집중하고 있다.

하지만 수소환원제철 기술은 800도 이하의 온도에서 철광석의 환원 반응 속도가 느리다는 점이 상용화의 걸림돌로 지적돼왔다.

연구팀은 철광석을 수소로 환원하는 공정에 니켈산화물을 첨가하면 전체 반응 속도가 2배 빨라지는 것을 발견했다. 첨가된 니켈산화물이 먼저 환원돼 다공성 니켈 금속으로 변하면서 촉매 역할을 하는 원리다.

이 다공성 니켈은 수소 분자를 반응성이 매우 높은 원자 상태로 쪼갠 뒤 주변 철 산화물로 확산시키는 '수소 스필오버' 현상을 일으킨다. 이를 통해 철 산화물의 환원 반응이 폭발적으로 가속화된다.

특히 이 촉매 기술을 적용하면 수소의 발화점보다 훨씬 낮은 300도의 저온에서도 환원 반응을 시작할 수 있어 에너지 소비량도 크게 줄일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이렇게 생산된 니켈 함유 합금은 304, 316 등급의 스테인리스강이나 자동차, 에너지, 의료 분야에 쓰이는 고강도강의 핵심 소재로 널리 사용된다.

디르크 라베 MPI-SusMat 연구소장은 "이번 연구는 합금 형성과 환원이 동시에 진행될 수 있음을 보여준다"며 "에너지 효율이 높고 더 빠른 야금 공정 개발에 중요한 단서를 제공할 것"이라고 밝혔다.