Paper published in Chemical Engineering Journal Chemical Engineering Journal 논문 게재

Our collaborative research with Prof. Sangwook Park’s and Prof. Jeong Woo Han’s groups at Seoul National University on a molten metal catalyst for clean hydrogen production has been published in Chemical Engineering Journal.

Methane pyrolysis is a promising route to CO₂-free H₂ production, but conventional solid catalysts deactivate as solid carbon deposits on their surfaces, and most molten metal catalysts require operating temperatures above 900 °C. The study presents a molten gallium–bismuth (GaBi) catalyst that is effective for methane pyrolysis at moderate temperatures of 500–800 °C. The Ga_0.11Bi_0.89 alloy showed the lowest activation energy (67.2 kJ/mol) among reported molten catalysts and maintained stable hydrogen production for 158 h at 800 °C. Ab initio molecular dynamics (AIMD) calculations revealed that the exceptional performance originates from suppressed Ga–Ga aggregation and enhanced Ga mobility in the melt.

A techno-economic analysis and life cycle assessment of a simulated 552 ton H₂/day plant projected an 80.7% reduction in total installed cost and a 79.1% decrease in operating cost relative to water electrolysis, along with a net-negative environmental footprint.

Our group led the electron microscopy characterization at the core of the study’s structural conclusions. A key challenge was preserving the native state of Ga — which melts at only ~30 °C — throughout the analysis. From cross-sectional SEM of the alloy recovered after 158 h of operation, we found no distinct alloy phase between the Ga and Bi domains, supporting the GaBi melt as a single homogeneous liquid. By transmission electron microscopy (TEM) of the solid carbon byproduct, HRTEM and FFT analysis revealed a graphitic structure with ~5 nm domains and an expanded (002) interlayer spacing of 3.56 Å (~6.3% larger than ideal graphite). These analyses directly supported the conclusions on catalyst reusability and on the quality of the produced carbon.

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서울대학교 박상욱 교수 및 한정우 교수 연구팀과 공동으로 진행한 청정 수소 생산을 위한 용융 금속 촉매 연구가 Chemical Engineering Journal에 게재되었습니다.

메탄 열분해는 CO₂ 배출 없이 H₂를 생산할 수 있는 유망한 방법이지만, 기존 고체 촉매는 표면에 탄소가 침적되며 비활성화되고, 대부분의 용융 금속 촉매는 900 °C 이상의 고온을 필요로 합니다. 이번 연구는 500–800 °C의 중온 영역에서 메탄 열분해에 효과적인 용융 갈륨–비스무트(GaBi) 촉매를 제시했습니다. Ga_0.11Bi_0.89 합금은 보고된 용융 촉매 중 가장 낮은 활성화 에너지(67.2 kJ/mol)를 보였으며, 800 °C에서 158시간 동안 안정적으로 수소를 생산했습니다. Ab initio 분자 동역학(AIMD) 계산을 통해 이러한 우수한 성능이 Ga–Ga 응집 억제와 용융체 내 Ga 이동성 향상에서 기인함을 규명했습니다.

일일 552톤 규모의 H₂ 생산 플랜트를 가정한 경제성 분석 및 전과정 평가에서는 수전해 대비 총 설치비용 80.7% 절감, 운영비용 79.1% 절감과 함께 순(net) 음의 환경 영향이 예측되었습니다.

우리 연구실은 이 연구의 핵심 구조 분석을 담당했습니다. 특히 녹는점이 ~30 °C로 매우 낮은 Ga의 원상태를 유지한 채 분석을 수행하는 것이 큰 난제였습니다. 158시간 운전 후 회수한 합금의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 분석해 Ga–Bi 도메인 사이에 뚜렷한 합금상이 형성되지 않음을 확인했고, 이는 GaBi가 별도의 합금 상 없이 단일한 균질 액상으로 존재함을 보여줍니다. 또한 고체 탄소 부산물을 투과전자현미경(TEM)으로 분석해, HRTEM·FFT를 통해 ~5 nm 크기의 도메인과 이상적인 graphite 대비 약 6.3% 확장된 (002) 면간거리(3.56 Å)를 갖는 graphitic 구조를 규명했습니다. 이러한 분석 결과는 촉매의 재사용성 및 생성된 탄소의 품질에 대한 결론을 직접적으로 뒷받침합니다.

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