에너지硏, 암모니아→수소 효율 8배 높인 새로운 촉매 개발

류테늄 함량 줄이고 세륨 첨가

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국에너지기술연구원이 암모니아로부터 고순도 수소를 높은 효율로 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 발표했다.

에너지연 수소연구단 구기영 박사 연구팀은 기존 류테늄 촉매의 사용량을 절반으로 줄이고 세륨을 첨가하는 방법으로 세계 최고 수준의 높은 수소 생성률을 보이는 촉매를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

한국에너지기술연구원 연구진이 세륨이 첨가된 루테늄 촉매를 들고 있다 [사진=에너지연]

암모니아는 수소경제를 실현할 효과적인 수소운반체로 주목받고 있다. 수소는 경제적인 운송과 저장을 위해 액체 상태를 활용하는데, 질소와 수소가 결합된 암모니아(NH3)는 상온에서 액체 상태를 유지하며 기체보다 부피가 작아 수소 운반체로 가장 유망하다.

암모니아의 분해 효율을 높이기 위해서는 질소의 재결합과 탈착이 효과적으로 이뤄져야 한다. 현재 루테늄이 가장 우수한 활성을 보이지만, 희소성으로 인한 높은 비용과 저온에서의 낮은 활성이 문제점으로 지적된다.

에너지연 연구진은 조촉매로 세륨(Ce)을 도입함으로써 루테늄을 절반만 사용하고도 암모니아 분해에 최적화된 세계 최고 수준의 저비용·고활성 촉매를 개발했다. 높은 화학적 내성과 기계적 강도를 갖는 마그네슘 알루미네이트(MgAl2O4) 촉매 지지체의 표면에 세륨을 첨가하고, 소량의 루테늄을 지지체의 표면에 단원자 수준의 크기로 고르게 분산시켜 만들었다.

연구진이 개발한 촉매는 기존 루테늄 촉매의 함량을 절반 수준으로 낮추었음에도 불구하고 450℃ 저온에서 촉매 1그램(g)이 1분에 27.4밀리몰(mmol))을 생산하는 세계 최고 수준의 수소생산률을 나타냈다. 이는 세륨을 첨가하지 않은 촉매보다 8배나 높은 생산률이다.

(왼쪽) 세륨 첨가 방법에 따른 촉매 특성 변화가 암모니아 분해 성능에 미치는 영향. (오른쪽) 개발된 암모니아 분해 촉매 반응 모식도.[사진=에너지연]

연구진은 조촉매로 첨가된 세륨이 촉매 표면에 풍부한 산소 빈자리를 만들어 이 빈자리가 루테늄과 상호작용해 전자밀도를 증가시키며, 이로 인해 질소와 수소 원자의 결합을 약하게 만들고 동시에 질소원자의 재결합을 용이하게 만들어 암모니아 분해 활성과 수소 생성률을 획기적으로 향상시켰다고 원리를 설명했다.

연구책임자인 구기영 박사는 “이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 기술은 청정수소의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것이며, 향후 암모니아 기반 대용량 청정수소 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

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

한국에너지기술연구원 수소연구단. (오른쪽 아래부터 시계방향으로) 구기영 책임연구원, 신중훈 박사후연구원,박용하 선임연구원, 정운호 책임연구원 [사진=에너지연]

연구결과는 촉매·소재 분야 저명학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental'에 게재됐다. 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

*논문제목 : Elucidating the effect of Ce with abundant surface oxygen vacancies on MgAl2O4-supported Ru-based catalysts for ammonia decomposition. /doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123234)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)