암모니아로 수소 생산효율 40% 높였다!

- 화학硏 채호정 박사팀, 에너지 저감형 촉매 공정기술 개발

채호정(가운데) 박사 연구팀이 암모니아로부터 수소 생산용 촉매를 들고 있는 모습.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 암모니아를 활용해 수소를 저장, 이동, 생산하는 촉매 공정 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 기술은 기존 촉매 공정보다 약 100℃ 낮은 온도에서 약 40% 더 많이 수소를 생산할 수 있다.

한국화학연구원 채호정 박사팀은 암모니아로부터 수소를 기존 공정보다 약 100℃ 낮은 온도에서 높은 효율로 생산할 수 있는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다.

현재 수소는 고압의 기체수소로 저장·운송하는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 폭발 위험이 있고 비용이 고가이며, 저장량에 한계가 있다는 단점이 있다. 이에 수소의 저장, 이동에 대한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는데 그 중 하나가 암모니아를 이용한 연구다. 암모니아는 화학식이 NH3로 수소(H)가 포함되어 있으며, 비교적 쉽게 액화할 수 있어 이동이 안전하고 쉽다.

암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H)의 결합으로 이루어져 있다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면, 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리되어야 한다. 높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어나는데 촉매를 통해 온도를 내릴 수 있다.

연구팀은 암모니아 분해에 최적화된 세륨(Ce)과 란타넘(La)이 포함된 복합산화물 지지체를 합성하고, 이 지지체 표면에 루테늄(Ru) 금속 나노입자가 고르게 분산된 새로운 촉매를 개발했다. 연구팀은 촉매 표면에 있는 루테늄의 전자가 풍부해질수록 암모니아로부터 질소의 재결합-탈착 반응이 잘 일어난다는 것을 발견, 루테늄에 전자를 잘 줄 수 있도록 촉매 지지체를 설계했다. 이 촉매를 활용한 공정에서는 기존 공정보다 100℃ 가량 낮은 450℃에서 수소를 100% 생산할 수 있고 400℃의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

개발된 지지체(왼쪽)과 지지체에 루테늄이 담지된 촉매(오른쪽).[한국화학연구원 제공]

새로운 촉매는 기존에 보고된 촉매들보다 같은 조건에서 수소 생산량이 약 40% 향상됐고, 촉매의 반응이 일어나는 부분에서 약 4배 더 반응이 잘 일어나는 것으로 나타났다. 또 수백시간 이상의 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보였다.

특히 기본 화학공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다는 평가다.

채호정 박사는 “이번에 개발한 암모니아 분해 촉매시스템을 바탕으로, 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등 다양한 응용 공정 개발이 활발하게 이뤄질 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 발표했다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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