한국화학연구원은 값싸고 지구상에 풍부한 니켈을 활용, 저비용 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 암모니아 분해 수소 생산 공정 상용화 가능성을 높였다.
암모니아 분해 수소 생산 기술은 수소 운송 한계를 극복하게 한다. 수소는 운송이 어려운데, 암모니아를 운송해 수소로 전환하면 이런 어려움이 해소된다.
암모니아를 수소로 전환하려면 촉매를 이용한 화학반응이 필요하다. 반응 촉매는 귀금속인 루테늄이 가장 우수한 성능을 나타낸다. 하지만 루테늄은 희소해 가격이 비싸다. 이를 대체할 촉매 기술이 개발되고 있다.
대체 촉매로 보통 니켈이 연구되는데, 루테늄을 쓸 때보다 최대 70배 정도 낮은 가격으로 촉매를 공급할 수 있다. 하지만 암모니아 분자와의 상호작용이 약해 성능이 떨어지며, 암모니아 분자를 활성화하기 위해서는 600도 이상 고온이 필요하다.
채호정 화학연 연구원팀이 간편한 제조 공정으로 암모니아 분해 효율을 높일 수 있는 새로운 니켈 촉매 공정 기술을 개발했다.
연구팀은 세륨 이온, 알루미늄 이온, 니켈 이온을 한번에 반응시키는 간편한 공정으로 새로운 촉매를 만들었다. 합성된 촉매는 세륨이 소량 포함된 알루미나 지지체 표면에 니켈이 고르게 분산돼 결합한 구조를 가지고 있다. 연구팀은 양이온과 음이온 포함 물질들을 물에 넣고 한번에 반응시키는 '양이온-음이온 이중 가수분해(CADH)' 원리를 이용한 간편한 원팟 공정으로 촉매를 합성해 공정 효율을 향상시켰다.
양이온-음이온 이중 가수분해는 화학 반응시, 양이온 포함 물질과 음이온 포함 물질이 동시에 물과 반응해 분해되면서, 양이온과 음이온 교환과 결합이 일어나며 새로운 화합물을 형성하는 반응이다.
새로운 합성법을 활용하면 니켈이 지지체에 고르게 분산되고, 지지체와 니켈의 결합력이 강해져 촉매 성능이 높아진다. 새로운 촉매는 최고 수준 암모니아 분해효율을 나타냈다. 기존 니텔 촉매들이 16~42% 정도 전환율을 내는 조건에서 새 촉매는 50% 효율을 냈다. 몇몇 루테늄 촉매와도 동등한 수준이거나, 그 이상 암모니아 분해효율을 보여 루테늄을 대체할 수 있는 저렴한 상용 촉매 가능성을 보여줬다. 또 100시간 이상 내구성 실험에서도 안정적인 성능을 보였다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
