국내 연구진이 암모니아에서 고순도 수소를 생산하는 기술을 개발해 청정수소 생산에 탄력이 붙을 전망이다.
한국에너지기술연구원은 수소연구단 구기영 박사연구팀이 수소 생산에 사용될 암모니아 분해용 루테늄(Ru) 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다.
연구팀에 따르면 개발된 촉매는 기존 루테늄보다 사용량을 절반 수준으로 낮추고 세륨을 첨가해 세계 최고 수준의 수소 생성률을 보인다.
수소는 탄소중립과 에너지 안보를 동시에 해결하는 핵심 에너지원으로 주목받으면서 암모니아의 위상도 높아지고 있다. 수소의 운송과 저장을 위해 액체로 변환되는데, 질소와 수소가 화합된 암모니아는 대용량 저장과 운송이 용이해 수소 캐리어로 가장 유망하다.
암모니아의 분해 효율을 높이려면 질소의 재결합과 탈착이 효과적으로 이뤄져야한다. 현재 루테늄의 성능이 가장 우수하나 희소성으로 인해 비용이 높고 저온에서 활성도가 낮다는 한계가 있다.
이에 연구팀은 조촉매(적은 양을 첨가해 촉매 작용을 증대하는 물질)로 세륨(Ce)을 도입해 루테늄을 절반만 사용하고도 암모니아 분해에 최적화했다. 제조법도 재현성과 실용성이 높아 대량생산도 가능할 것으로 연구팀은 기대했다.
연구팀은 화학적 내성과 기계적 강도가 높은 마그네슘 알루미네이트(MgAl2O4) 촉매 지지체의 표면에 세륨을 첨가하고, 소량의 루테늄을 지지체의 표면에 단원자 수준의 크기로 고르게 분산시켰다.
조촉매로 첨가된 세륨은 촉매 표면에 풍부한 산소공석(oxygen vacancy)을 형성하고, 산소 공석이 루테늄과 상호작용해 전자밀도를 증가시킨다. 이로 인해 루테늄 촉매가 질소와 수소 원자의 결합을 약하게 만들고 질소원자의 재결합을 용이하게 만들어 암모니아 분해 활성과 수소 생성률을 크게 향상시키는 것이다.
이 덕분에 기존 루테늄 촉매 대비 함량이 절반 수준으로 낮음에도 불구하고 450oC 저온에서 세계 최고 수준의 높은 수소 생성률(27.4 mmolH2/gcat·min)을 보였으며, 조촉매인 세륨을 첨가하지 않은 촉매(Ru/MgAl2O4)보다 수소 생산률이 8배 높다고 연구팀은 강조했다.
연구책임자인 구기영 박사는 "이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 기술은 청정수소의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것이며, 향후 암모니아 기반 대용량 청정수소 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
제1저자인 신중훈 박사는 "촉매 대량제조 시 제조법을 단순화하고 촉매 활성 구현의 신뢰성을 확보하는데 초점을 맞추어 촉매 제조 레시피를 개발했다"고 설명했다.
이번 연구는 촉매·소재 분야 저명학술지 'Applied Catalysis B: Environmental'에 게재됐다.
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