청정수소 생산 앞당길 세계 최고의 '암모니아 분해 촉매' 찾았다 [세상을 깨우는 발견]

한국에너지기술연구원, 수소경제의 열쇠 '암모니아' 분해용 루테늄(Ru) 촉매 개발

[유창재 기자]

▲ 한국에너지기술연구원 수소연구단 구기영 박사 연구진이 개발한 세륨이 첨가된 루테늄 촉매를 들고 있다.

수소경제의 열쇠인 '암모니아'에서 수소를 빠르게, 많이 뽑아내서 청정 수소 생산을 앞당겨줄 세계 최고 수준의 '암모니아 분해용 루테늄(Ru) 촉매'를 국내 연구진이 개발했다.

암모니아는 코를 움켜쥐게 만들지만, 해외로부터 대량의 청정수소 도입 시 가장 경제적이고 친환경적인 수소 캐리어로 주목 받고 있다. 떄문에 전 세계의 눈과 귀가 수소 운반과 저장의 돌파구이자 탄소중립의 연료인 암모니아에 집중하고 있다고 해도 과언이 아니다.

무엇보다 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 상용공정은 전 세계적으로 전무하고, 핵심요소 기술인 촉매 및 반응기 개발이 필요한 상황이다. 이런 가운데 국내 연구진이 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 촉매를 개발한 것은 '암모니아 기반 청정수소 생산 기술 조기 상용화'에 새로운 돌파구를 마련했다는 평가를 받고 있다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 15일 이같이 알리면서 "수소연구단 구기영 박사 연구진이 개발한 촉매는 기존 루테늄보다 사용량은 절반 수준으로 낮추고 세륨을 첨가해 세계 최고 수준의 높은 수소 생성률(촉매 1g이 시간(분)당 생산하는 수소의 양)을 보여 청정수소 생산에 탄력이 붙을 전망"이라고 밝혔다.

널리 알려졌듯이 '수소'는 탄소중립과 에너지 안보를 동시에 해결하는 핵심 에너지원으로 주목받고 있다. 그리고 수소의 운송과 저장을 위해 액체로 변환되는데, 질소(N)와 수소(H)가 화합된 암모니아(NH3)는 상온에서 액체 상태를 유지하며 기체보다 부피가 작아 대용량 저장과 운송이 용이해 수소 캐리어로 가장 유망하다. 또 운송된 암모니아는 분해해 수소를 다시 연료로 활용할 수 있어, 수소와 함께 암모니아의 위상도 높아지고 있다.

떄문에 암모니아의 분해 효율을 높이기 위해서는 질소의 재결합과 탈착이 효과적으로 이뤄져야 하는데, 현재 루테늄이 가장 우수한 활성을 보이지만, 희소성으로 인해 높은 비용과 저온에서의 낮은 활성이 문제점으로 지적되고 있다. 따라서 낮은 온도에서 활성이 높고 내구성이 우수한 촉매 개발이 필요한 상황이었다.

저온에서 수소 생성률 획기적으로 향상시킨 '세륨' 역할 규명

▲ 이번 연구를 통해 촉매·소재 분야 저명학술지 ‘Applied catalysis B: Environmental(상위 0.9%)’에 게재된 논문의 대표도. (왼쪽 그래프 세륨 첨가 방법에 따른 촉매 특성 변화가 암모니아 분해 성능에 미치는 영향을 설명, 오른쪽 그림은 개발된 암모니아 분해 촉매 반응 모식도)

이에 연구진은 조촉매(적은 양을 첨가하여 촉매의 작용을 증대하는 물질)로 '세륨(Ce)'을 도입함으로써 루테늄을 절반만 사용하고도 암모니아 분해에 최적화된 세계 최고 수준의 저비용·고활성 촉매를 개발했다. 이를 통해 촉매 제조법 또한 재현성과 실용성이 높아 대량 생산도 가능할 것으로 기대하고 있다.

연구진은 "높은 화학적 내성과 기계적 강도를 갖는 마그네슘 알루미네이트(MgAl2O4) 촉매 지지체의 표면에 세륨을 첨가하고, 소량의 루테늄을 지지체의 표면에 단원자 수준의 크기로 고르게 분산시켰다"고 연구 과정을 소개했다.

이어 "조촉매로 첨가된 세륨은 촉매 표면에 풍부한 산소 공석(oxygen vacancy : 금속 산화물(예 CeO2, TiO2 등) 구조에서 산소 원자(O2-)가 빠진 자리를 의미)을 형성하고, 산소 공석이 루테늄과의 상호작용으로 전자밀도(촉매 내 일정 부피에 존재하는 전하의 총량)가 증가된다"면서 "이로 인해 루테늄 촉매가 질소와 수소 원자의 결합을 약하게 만들고 동시에 질소원자의 재결합을 용이하게 만들어 암모니아 분해 활성과 수소 생성률을 획기적으로 향상시켰다"고 설명했다.

그 결과, 연구진이 개발한 촉매는 기존 루테늄 촉매와 비교해 함량이 절반 수준으로 낮음에도 450oC 저온에서 세계 최고 수준의 높은 수소 생성률(27.4 mmolH2/gcat·min)을 보였으며, 조촉매인 세륨을 첨가하지 않은 촉매(Ru/MgAl2O4)보다 8배나 높은 수소 생산률을 나타냈다.

이번 연구책임자인 구기영 박사는 "이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 기술은 청정수소의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것"이라며 "향후 암모니아 기반 대용량 청정수소 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

제1저자인 신중훈 박사는 "촉매 대량제조 시 제조법을 단순화하고 촉매 활성 구현의 신뢰성을 확보하는데 초점을 맞추어 촉매 제조 레시피를 개발했다"고 설명했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구성과는 촉매·소재 분야 저명학술지 <Applied Catalysis B: Environmental(IF 22.1, 상위 0.9%)>에 게재됐다.

▲ 한국에너지기술연구원 수소연구단 연구진. 사진 오른쪽 아래부터 시계방향으로 구기영 책임연구원, 신중훈 박사후연구원, 박용하 선임연구원, 정운호 책임연구원-1