암모니아 활용 고효율 수소 생산 촉매 공정 기술 개발
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암모니아 활용 고효율 수소 생산 촉매 공정 기술 개발
  • 최경주 기자
  • 승인 2021.01.25 14:17
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화학연, 기존 공정보다 약 100°C 낮은 온도에서 고효율 생산
“그린 수소 사회 정착에 미치는 영향이 클 것”
개발된 암모니아 분해용 촉매 반응 모식도 및 향상된 암모니아 분해 성능을 나타내는 그림 (오른쪽 그래프에서 x축은 반응온도를 y축은 암모니아 분해율을 나타냄. 그래프 선이 위쪽으로 위치할수록 암모니아 분해 성능이 우수함.)
개발된 암모니아 분해용 촉매 반응 모식도 및 향상된 암모니아 분해 성능을 나타내는 그림 (오른쪽 그래프에서 x축은 반응온도를 y축은 암모니아 분해율을 나타냄. 그래프 선이 위쪽으로 위치할수록 암모니아 분해 성능이 우수함.)

암모니아를 활용해 수소를 저장, 이동, 생산하는 촉매 공정 기술이 개발됐다.

이 기술은 기존 촉매 공정보다 약 100°C 낮은 온도에서 약 40% 더 많이 수소를 생산할 수 있다. 

수소는 최근 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 국내에서도 수소경제 구축을 위한 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 크게 늘어날 것으로 예상된다.

현재 수소는 고압의 기체수소로 저장·운송하는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 폭발 위험이 있고 비용이 고가이며, 저장량에 한계가 있다는 단점이 있다.

이에 수소의 저장, 이동에 대한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는데 그 중 하나가 암모니아를 이용한 연구다. 암모니아는 화학식이 NH3로 수소(H)가 포함되어 있으며, 비교적 쉽게 액화할 수 있어 이동이 안전하고 쉽다. 

한국화학연구원 채호정 박사팀은 암모니아로부터 수소를 기존 공정보다 약 100°C 낮은 온도에서 높은 효율로 생산할 수 있는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다. 

암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H)의 결합으로 이루어져 있다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리되어야 한다.

높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어나는데 촉매를 통해 온도를 내릴 수 있다. 

암모니아가 촉매에 달라붙으면 수소 원자 3개가 하나씩 떨어지고 질소 원자 1개만 남게 되며, 원자로 분리된 수소와 질소는 분자로 다시 재결합해 기체로 나와야 한다.

특히 질소 원자 2개가 재결합해 질소 분자 기체로 떨어져 나가는 과정이 중요한데 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 나노입자가 고르게 분산된 새로운 촉매(Ru/LaxCe1-xOy)를 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.

본 촉매 공정에서는 기존 공정보다 100°C 가량 낮은 450°C에서 수소를 100% 생산할 수 있고 400°C의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다. 

새로운 촉매는 기존에 보고된 촉매들보다 같은 조건에서 수소 생산량이 약 40% 향상됐고, 촉매의 반응이 일어나는 부분(활성점)에서 약 4배 더 반응이 잘 일어나는 것으로 나타났다. 수백시간 이상의 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보여줬다.

또한 새로운 촉매는 기본 화학공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다. 

연구팀이 암모니아로부터 수소 생산용 촉매를 들고 있는 모습(좌부터 화학연 화학공정연구본부 채호정 박사, Le Thien An 박사, 김영민 박사)
연구팀이 암모니아로부터 수소 생산용 촉매를 들고 있는 모습(좌부터 화학연 화학공정연구본부 채호정 박사, Le Thien An 박사, 김영민 박사)

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”이라며 “그린 수소 사회 정착에 미치는 영향이 클 것”이라고 말했다. 

한편 이번 연구결과는 세계적인 에너지·환경 분야 권위지인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 발표됐다.


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