100도 낮은 온도에서 수소 40% 더 많이 만든다
by강민구 기자
2021.01.25 12:00:00
화학연, 암모니아 활용 촉매 기술 개발
450도 온도에서 수소 100% 생산
[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원 연구팀이 암모니아를 활용해 수소를 저장, 이동, 생산하는 촉매 공정 기술을 개발했다. 개발한 기술은 기존 촉매 공정보다 약 100도 낮은 온도에서 약 40% 더 많이 수소를 생산할 수 있다.
수소는 주목받는 차세대 친환경 에너지원 중 하나이다. 국내에서도 단계적 수소 기술개발 로드맵이 발표되고 수소법이 제정된 상황이다. 국내 수소 시장은 석유화학, 전자, 재료, 반도체 산업 등 기존 산업뿐만 아니라 수소 발전, 수소차, 수소 선박 등의 친환경에너지 연료로 새로운 수요가 늘어날 전망이다.
| 한국화학연구원 연구팀이 암모니아로부터 수소 생산용 촉매를 들고 있는 모습(왼쪽부터 채호정 박사, Le Thien An 박사, 김영민 박사).(사진=한국화학연구원) |
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현재 수소를 고압의 기체수소로 저장·운송하는 방법이 주로 사용된다. 그러나 폭발 위험이 있고, 값이 비싸면서 저장량에 한계가 있다. 다양한 수소 저장, 이동 관련 연구 중 하나가 암모니아를 이용하는 연구다. 암모니아는 비교적 쉽게 액화하고, 이동이 안전하다.
채호정 화학연 박사팀은 이러한 암모니아에서 수소를 기존 공정보다 약 100도 낮은 온도에서 높은 효율로 생산하는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다.
연구팀은 암모니아 분해에 최적화된 세륨과 란타넘이 포함된 복합산화물 지지체를 합성하고, 이 지지체 표면에 루테늄 금속 나노입자가 고르게 분산된 새로운 촉매를 만들었다.
연구팀은 촉매 표면에 있는 루테늄의 전자가 풍부해질수록 암모니아로부터 질소의 재결합·탈착 반응이 잘 일어난다는 것을 발견하고, 루테늄에 전자를 잘 주도록 촉매 지지체를 설계했다.
이번 공정에서는 기존 공정보다 100도 낮은 450도에서 수소를 전량 생산하고, 400도 온도에서도 90% 이상의 효율로 수소를 만들 수 있다.
실험 결과, 새로운 촉매는 기존 촉매들보다 같은 조건에서 수소 생산량이 약 40% 향상되고, 촉매 반응이 일어나는 부분(활성점)에서 약 4배 더 반응이 잘 일어났다. 수 백시간 이상의 내구성 시험에서도 안정적인 성능을 보여줬다.
새로운 촉매는 기본 화학공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다.
연구 결과는 에너지·환경 분야 국제 학술지인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 게재됐다.
채호정 박사는 “암모니아 분해 촉매시스템을 바탕으로 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등 다양한 응용 공정 개발이 이뤄질 것”이라며 “그린 수소 사회 정착에 미치는 영향이 클 것”이라고 했다.