한국에너지기술연구원 암모니아 분해 촉매 합성법 공개…기존 대비 성능 3배 높아

(지디넷코리아=박희범 기자)청정수소를 더 효율적으로 분해할 수 있는 신개념 촉매가 개발됐다. 기존 나노 촉매 대비 암모니아 분해 성능이 3배 정도 더 높아 수소 생성률이 1.7배 이상 개선될 전망이다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 에너지연)은 수소연구단 구기영 박사 연구팀이 기존보다 경제성이 향상된 신개념 암모니아 분해 촉매 합성법을 개발했다고 3일 발표했다.

이를 활용하면 암모니아에서 수소를 더 효율적으로 분해할 수 있다. 이때문에 수소 경제 실현에 크게 기여할 것으로 연구팀은 기대했다.

한국에너지기술연구원 구기영 박사가 수소촉매 합성 실험을 진행 중이다.(사진=에너지연)

암모니아는 3개의 수소 원자와 1개의 질소 원자로 구성된다. 수소 함량이 높아 수소의 장거리 운송과 대용량 저장에서 운반체로 주목받고 있다.

그러나 운송 이후 수요지에서 암모니아를 분해, 수소를 생산하는 기술은 초기 개발 단계다.

이에 연구팀은 원자번호 71번, 루테늄(Ru)에 주목했다. 루테늄이 다른 촉매보다 100도 이상 낮은 500도~600도 조건에서도 암모니아를 빠르게 분해할 수 있기 때문이다.

문제는 루테늄이 소수 국가에만 존재하는 매우 희귀한 금속이라 구하기 어렵다는 점이다.

이에 따라 루테늄을 적게 쓰면서도 수소를 분해할 방법으로 나노 촉매를 만들어 쓰는데, 이는 대량 생산 공정이 복잡하고 제조 비용도 많이 든다.

구기영 책임연구원은 "촉매 경제성 확보를 위해 폴리올 공정 기반의 신개념 루테늄 촉매 합성법을 개발했다"며 "이는 기존 촉매에 비해 3배 이상 높은 암모니아 분해 성능을 나타냈다"고 설명했다.

한국에너지기술연구원이 개발한 새로운 개념의 촉매. 왼쪽이 파우더, 오른쪽이 펠릿형태로 만들어진 촉매다.(사진=에너지연)

연구진이 활용한 폴리올 공정은 주로 금속을 나노 입자로 합성하는 데 쓰인다. 기존 공정에서는 입자끼리 뭉치는 현상을 막기 위해 안정화제를 넣는데, 이로 인해 공정이 복잡해지고 비용도 증가한다.

연구진은 이에 '탄소사슬'이라 불리는 유기 분자 길이가 입자의 응집 정도에 영향을 준다는 점에 착안했다. 탄소사슬 구조와 길이를 조절하면 첨가제 없이도 나노 입자의 응집을 효과적으로 억제할 수 있다고 본 것.

실험결과 탄소사슬 길이가 긴 부틸렌글리콜을 활용하면 안정화제 없이도 2.5nm 크기의 루테늄 입자가 균일하게 분산되고 수소 생성 반응이 일어나는 ‘B5 사이트’(반응성이 좋은 류테늄 원자 위치 형태)가 형성된다는 것을 확인했다.

구기영 책임은 "이렇게 만든 촉매는 부틸렌글리콜을 사용하지 않은 기존 루테늄 촉매와 비교했을 때, 활성화 에너지는 약 20% 낮아졌고 수소 생성률은 1.7배 증가했다"며 "기존 합성법 대비 3배 이상 뛰어난 경제성을 보였다"고 부연 설명했다.

구 책임은 "향후 암모니아 분해 촉매 기술 국산화와 실용화에 기여할 수 있을 것”이라며, “현재 수행중인 과기정통부 글로벌 톱 과제를 통해 펠릿 형태로 만드는 실용화 연구와 성증 검증을 진행할 계획"이라고 말했다.

연구결과는 나노분야 국제 학술지 ‘스몰(Small, IF 12.1)’ 표지논문으로 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회의 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 수행했다.

한국에너지기술연구원이 개발한 암모니아분해 촉매 합성 기술을 소개한 국제 학술지 '스몰' 표지.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)

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