한국화학연구원 채호정 박사팀이 기존 촉매 공정보다 약 100°C 낮은 온도에서 약 40% 더 많이 수소를 생산할 수 있는 촉매 공정 기술을 개발했다.

수소는 최근 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있으며, 친환경 에너지 연료로 새로운 수요가 많이 증가할 전망이다. 현재 수소는 고압의 기체 형태로 저장하여 운송되고 있다. 그러나 폭발 위험이 있고 비용이 많이 든다는 문제점이 있다.

이러한 이유로 수소의 저장과 이동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중, 대표적인 연구가 암모니아를 이용한 연구다. 암모니아는 화학식에 수소(H)가 포함돼, 비교적 쉽게 액화할 수 있으며 안전하고 쉽게 이동할 수 있다.

암모니아는 질소와 수소의 결합으로 이루어져 있다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면, 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리되어야 한다. 높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어난다. 이 과정에서 촉매를 통해 온도를 내릴 수 있다.

암모니아가 촉매에 달라붙으면, 수소 원자 3개가 하나씩 떨어지고 질소 원자 1개만 남게 된다. 분리된 수소와 질소는 재결합해 기체로 나와야 한다. 특히, 질소 원자 2개가 재결합해 질소 분자 기체로 떨어져 나가는 과정이 중요하다.

연구팀은 이 과정에서 질소의 재결합-탈착 반응의 활성화 에너지를 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. 이 촉매 공정은 기존 공정보다 100°C가량 낮은 450°C에서 수소를 100% 생산할 수 있고 400°C의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

새로운 촉매는 같은 조건에서 수소 생산량이 약 40% 향상되었으며, 반응도 4배 더 잘 일어나는 것으로 나타났다. 내구성 테스트에서도 안정성을 보여주었다. 또한, 새로운 촉매는 기본 화학 공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다.

채호정 박사는 “이번에 개발한 암모니아 분해 촉매 시스템을 바탕으로 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등 다양한 응용 공정 개발이 활발하게 이뤄질 것”으로 기대하며, “친환경 수소 사회 정착에 미치는 영향이 클 것”으로 전망했다.

또, 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”라고 말했다.