수소경제를 앞당겨줄 수소 운반·저장 돌파구로 암모니아가 주목받는 가운데, 국내 연구진이 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 촉매 개발 돌파구를 마련했다.
한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 구기영 수소연구단 박사팀이 세계 최고 수준 암모니아 분해용 루테늄(Ru) 촉매를 개발했다고 15일 밝혔다.
개발 촉매는 기존 Ru보다 사용량은 절반으로 낮고, 세륨을 첨가해 세계 최고 수준의 수소 생성률을 보인다.
질소(N)와 수소(H)가 화합된 암모니아(NH3)는 상온에서 액체 상태를 유지하며 기체보다 부피가 작아 대용량 수소 저장 및 운송이 용이하다. 수소 캐리어로 가장 유망하다. 또 운송된 암모니아는 분해해 수소를 다시 연료로 활용할 수 있어, 수소와 함께 암모니아 위상도 높아지고 있다.
암모니아의 분해 효율을 높이기 위해서는 질소 재결합과 탈착이 효과적으로 이뤄져야한다.
현재 Ru이 가장 우수한 활성을 보이지만, 높은 비용과 저온에서의 낮은 활성이 문제점으로 지적되고 있다.
이에 연구진은 조촉매(촉매 작용 증대 물질)로 세륨(Ce)을 도입함으로써 루테늄을 절반만 사용하고도 암모니아 분해에 최적화된 세계 최고 수준 저비용·고활성 촉매를 개발했다. 촉매 제조법 또한 재현성과 실용성이 높아 대량 생산도 가능할 것으로 기대된다.
연구진은 높은 화학적 내성과 기계적 강도를 갖는 마그네슘 알루미네이트(MgAl2O4) 촉매 지지체의 표면에 세륨을 첨가하고, 소량의 루테늄을 지지체의 표면에 단원자 수준 크기로 고르게 분산시켰다.
조촉매로 첨가된 세륨은 촉매 표면에 풍부한 산소 공석을 형성하고, 산소 공석(산소 원자가 빠진 자리)과 Ru의 상호작용으로 전자밀도(전하 총량)가 증가된다. 암모니아 분해 활성과 수소 생성률을 획기적으로 향상된다.
개발 촉매는 기존 Ru 촉매와 비교해 함량이 절반 수준으로 낮음에도 불구하고 450℃ 저온에서 세계 최고 수준의 높은 수소 생성률을 보였으며, 조촉매인 세륨을 첨가하지 않은 촉매보다 8배나 높은 수소 생산률을 나타냈다.
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 대량제조시 제조법을 단순화하고 촉매 활성 구현의 신뢰성을 확보하는데 초점을 맞춰 촉매 제조 레시피를 개발했다”고 설명했다.
연구성과는 촉매·소재분야 저명학술지 'Applied Catalysis B:Environmental'에 게재됐으며, 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
