화학연, 새로운 암모니아→수소 촉매 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 수소경제 실현을 위해서는 수소의 생산·저장·운송 전반에 걸친 기술개발이 필요하다. 수소의 저장·운송과 관련해서는 고압의 기체수소 대신 암모니아를 매개체로 이용하는 방법에 대한 연구가 활발하다. 폭발위험이 없고 비교적 쉽게 액화할 수 있어 이동이 안전하고 쉽다는 이유다.

25일 한국화학연구원 채호정 박사팀은 암모니아로부터 수소를 기존보다 약 100°C 낮은 온도에서 약 40% 더 많이 생산할 수 있는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다고 발표했다.

암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H)의 결합으로 이루어져 있다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면, 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리돼야 한다. 촉매는 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 더 낮은 온도에서도 일어날 수 있도록 해 준다. 촉매는 또한 분리된 원자들이 다시 수소와 질소 기체로 재결합하는 데 필요한 에너지를 낮추는 역할도 한다.

화학연 연구팀은 이러한 질소의 재결합-탈착 반응의 활성화에너지를 낮추어 암모니아로부터 수소를 고효율로 생산할 수 있는 촉매를 새로 개발했다.

연구팀은 암모니아 분해에 최적화된 세륨(Ce)과 란타넘(La)이 포함된 복합산화물 지지체를 합성하고, 이 지지체 표면에 루테늄(Ru) 금속 나노입자를 고르게 분산한 새로운 촉매를 개발했다. 연구팀은 촉매 표면에 있는 루테늄의 전자가 풍부해질수록 암모니아로부터 질소의 재결합-탈착 반응이 잘 일어난다는 것을 발견하고, 루테늄에 전자를 잘 줄 수 있도록 촉매 지지체를 설계했다.

연구팀은 새로운 촉매가 기존에 보고된 촉매들보다 수소 생산량이 약 40% 향상됐으며 수백시간 이상의 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보여주었다고 밝혔다. 또한 기존 공정보다 100°C 가량 낮은 450°C에서 100%, 400°C의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소 생산이 가능하다. 뿐만 아니라 기본 화학공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다.

화학연 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”으로 기대했다.

황동원 화학연 탄소자원화연구단장은 “이번에 개발한 저온/고성능 암모니아 분해 원천 촉매 기술이 수소 경제 실현을 위한 상용화 기술로 이어질 수 있도록 산학연 협력 및 실증 연구를 적극적으로 추진하겠다”고 말했다.

이번 연구결과는 에너지·환경 분야에서 권위있는 국제학술지인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 실렸다. (논문 제목 : 암모니아 분해로부터 무탄소 수소 생산을 위한 루테늄이 담지된 란타넘-세륨 복합산화물 고효율 촉매)