비귀금속 촉매로 성능↑…'81.9%' 암모니아 분해

이수언 연구원이 이번에 개발한 비귀금속 기반 촉매 샘플을 살피고 있다

한국화학연구원(원장 이영국) 연구진이 비귀금속인 '코발트-철(CoFe)' 기반 암모니아 분해 촉매 기술을 개발했다. 낮은 온도에서도 암모니아 분해 효율을 높여 친환경 수소 생산을 앞당길 전망이다.

화학연은 이수언·채호정 박사팀이 CoFe 기반 층상 이중산화물(LDO)에 세륨 산화물(CeO₂)을 도입, 저온에서 높은 암모니아 분해 효율을 가진 촉매 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

암모니아는 수소를 안전하고 효율적으로 저장·운송할 수 있는 친환경 에너지원이다. 그러나 암모니아로부터 수소를 추출하려면 고온에서 암모니아를 수소·질소로 분해하는 화학반응이 필수다.

이때 촉매를 사용하면 비교적 저온에서 분해 효율을 높일 수 있는데, 귀금속인 루테늄 성능이 가장 우수하다. 루테늄 촉매는 가격이 비싸고 고온이 요구된다.

이에 연구팀이 이번 기술을 개발했다. 세륨 산화물은 CoFe 층상 이중 산화물 촉매 표면 구조를 조정해 금속 입자 응집을 방지한다. 또 세륨 산화물의 독특한 산화-환원 특성으로 촉매 전자 특성을 조절할 수 있다.

이는 촉매 표면 암모니아가 질소·수소로 분해되는 과정 중, 원활한 질소 재결합-탈착 반응을 도와 암모니아 분해 반응을 촉진한다.

세륨 산화물 도입에 따른 비귀금속 CoFe기반 층상 이중산화물 소재 암모니아 분해 성능 개선 개요

덕분에 개발 촉매는 저온에서도 성능이 우수하다. 450도에서 최고 81.9% 암모니아-수소 전환율을 달성했는데, 다양한 기존 촉매보다 50도 이상 저온임에도 효율은 더 높았다.

채호정 박사팀이 이전 연구로 비귀금속인 니켈 기반 암모니아 분해 촉매를 만들었는데, 당시 450도에서 45% 전환율을 보인 것에 비해 매우 개선됐다.

또 550도 온도 장시간 연속 운전 후에도 촉매 구조 변화가 거의 없어 안정성도 높다.

연구팀은 추가 연구로 저온 수소 생산 성능을 높이고, 최적화 과정을 거쳐 2030년경 상용화를 목표로 하고 있다.

이영국 원장은 “친환경 수소 생산 기술 실용화를 앞당기고, 재생 가능한 에너지 기반 지속 가능한 수소 경제 구축에 기여할 것”이라고 말했다.

관련 논문은 지난 11월 '화학 공학'에 게재됐다. 채호정 박사가 교신저자로, 이수언 박사가 1저자로 참여했다. 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 '신재생에너지핵심기술개발사업' 지원으로 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com