보조 촉매 '루테늄' 넣어 수소 변환 효율 높인다

에너지연, 저비용·고효율 암모니아 분해 촉매 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하기 위한 새로운 촉매를 개발했다.

한국에너지기술연구원은 구기영 수소연구단 박사 연구팀이 암모니아 분해용 루테늄 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다.

수소연구단 연구팀.(오른쪽 아래부터 시계방향)구기영 책임연구원, 신중훈 박사후연구원, 박용하 선임연구원, 정운호 책임연구원.(사진=한국에너지기술연구원)

수소는 탄소중립과 에너지 안보를 동시에 해결하는 핵심 에너지원으로 주목받고 있다. 수소를 운송하고, 저장하려면 액체로 바꿔야 한다. 질소와 수소가 화합된 암모니아는 상온에서 액체 상태를 유지하며 기체보다 부피가 작아 대용량 저장과 운송이 쉬워 수소 운반장치로 쓰인다. 운송된 암모니아는 분해해 수소를 다시 연료로 쓸 수 있다.

암모니아의 분해 효율을 높이려면 질소의 재결합과 탈착이 효과적으로 이뤄져야 한다. 현재 루테늄이 가장 우수한 활성을 보이지만, 희소성이 있어 가격이 비싸도 저온에서 활성이 낮다.

이에 연구팀은 조촉매(적은 양을 첨가해 촉매 작용을 활성화하는 물질)로 세륨을 도입해 루테늄을 절반만 쓰면서 암모니아 분해에 최적화된 저비용·고활성 촉매를 개발했다. 촉매 제조법도 재현성과 실용성이 높아 대량 생산도 가능하다.

연구팀은 높은 화학적 내성과 기계적 강도를 지닌 마그네슘 알루미네이트 촉매 지지체의 표면에 세륨을 첨가하고, 소량의 루테늄을 지지체 표면에 단원자 수준의 크기로 고르게 분산시켰다.

조촉매로 첨가된 세륨은 촉매 표면에 풍부한 산소 공석을 형성하고, 산소 공석이 루테늄과의 상호작용으로 전자밀도가 증가된다. 루테늄 촉매가 질소와 수소 원자의 결합을 약하게 만들고, 질소원자의 재결합을 쉽게 만들어 암모니아 분해 활성과 수소 생성률을 높였다.

개발한 촉매는 기존 루테늄 촉매와 비교해 함량이 절반 수준으로 낮지만 450도의 저온에서 높은 수소 생성률을 보였다. 세륨을 첨가하지 않은 촉매 보다 8배나 높은 수소 생산률을 기록했다.

구기영 박사는 “이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 기술은 청정수소의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것”이라며 “앞으로 암모니아 기반 대용량 청정수소 생산 플랜트 국산화에 기여할 수 있을 것”이라고 했다.

연구 결과는 촉매·소재 분야 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)