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연구진이 개발한 촉매. 왼쪽은 파우더, 오른쪽은 펠릿 형태.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)이 기존보다 경제적인 신개념 암모니아 분해 촉매 합성법을 개발했다. 이를 활용하면 암모니아에서 수소를 더 효율적으로 분해할 수 있어 수소 경제 실현에 크게 기여할 것으로 기대된다.

에너지연은 구기영 수소연구단 박사팀이 이런 성과를 거뒀다고 3일 밝혔다.

기술 핵심은 루테늄 촉매다. 이를 사용하면 다른 촉매보다 100도 이상 낮은 500~600도 온도 조건에서도 암모니아를 빠르게 분해할 수 있다. 문제는 루테늄이 소수 국가에만 존재하는 매우 희귀한 금속이라 구하기 어렵다는 점이다.

현재까지는 적은 양으로도 성능을 내기 위해 크기를 나노 수준으로 줄여 활용하고 있다. 하지만 나노 촉매는 대량 생산 공정이 복잡하고 제조 비용도 높아 암모니아 분해 기술 상용화를 저해하고 있다.

이에 연구진은 촉매 경제성을 개선할 수 있는 폴리올 공정 기반 신개념 루테늄 촉매 합성법을 개발했다. 이로써 생산한 촉매는 기존 촉매 대비 3배 이상 높은 암모니아 분해 성능을 나타냈다.

연구진이 적용한 폴리올 공정은 주로 금속을 나노 입자로 합성하는 데 쓰이는 공정이다. 기존 공정에서는 입자끼리 뭉치는 현상을 막기 위해 안정화제를 넣는데, 공정이 복잡해지고 비용도 증가한다는 단점이 있었다. 이에 연구진은 안정화제를 사용하지 않고도 나노 입자 응집을 제어하는 방법을 고안했다.

연구진은 탄소사슬이라 불리는 유기 분자 길이가 입자 응집 정도에 영향을 준다는 점에 주목했다. 탄소사슬 구조·길이를 조절하면 첨가제 없이도 나노 입자의 응집을 효과적으로 억제할 수 있다고 본 것이다.

연구진은 실험을 통해 탄소사슬 길이가 긴 부틸렌글리콜을 활용하면 안정화제 없이도 2.5나노미터(㎚) 크기 루테늄 입자가 균일하게 분산되고 수소 생성 반응이 일어나는 'B5 사이트'가 형성된다는 것을 확인했다.

이를 통해 생성된 촉매는 기존 촉매 성능을 크게 웃돌았다. 부틸렌글리콜을 사용하지 않은 기존 루테늄 촉매와 비교했을 때, 활성화 에너지는 약 20% 낮아졌고 수소 생성률은 1.7배 증가했다. 또 단위 부피당 암모니아 분해 반응 성능을 비교한 결과, 기존 합성법으로 만든 촉매보다 3배 이상 높은 것으로 나타나 뛰어난 경제성을 보였다.

구기영 박사는 “이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 합성 기술은 기존 나노촉매 대량 제조의 한계와 비용 문제를 해결할 수 있는 실용적인 기술로, 암모니아 분해 촉매 기술 국산화와 실용화에 기여할 수 있을 것”이라며, “앞으로 펠릿 촉매 양산과 다양한 암모니아 크래킹 시스템 적용을 통해 성능 검증을 진행할 계획”이라고 밝혔다.

이번 성과는 스몰 표지논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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