▲ (왼쪽부터)화학연 화학공정연구본부 채호정 박사, Le Thien An 박사, 김영민 박사가 암모니아로부터 수소 생산에 쓰이는 촉매를 살펴보고 있다.

암모니아를 활용해 기존 촉매 공정보다 약 40% 더 많이 수소를 생산할 수 있는 촉매 공정 기술이 개발돼 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소스테이션 등 다양한 응용 공정 개발에서 사용될 것으로 기대를 모으고 있다.

한국화학연구원 채호정 박사팀은 암모니아로부터 수소를 기존 공정보다 약 100°C 낮은 온도에서 높은 효율로 생산할 수 있는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다고 25일 밝혔다.

암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H)의 결합으로 이루어져 있다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면, 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리돼야 한다. 높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어나는데 촉매를 통해 온도를 내릴 수 있다.

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.

연구팀은 촉매 표면에 있는 루테늄의 전자가 풍부해질수록 암모니아로부터 질소의 재결합-탈착 반응이 잘 일어난다는 것을 발견하고, 루테늄에 전자를 잘 줄 수 있도록 촉매 지지체를 설계했다. 본 촉매 공정에서는 기존 공정보다 100°C 가량 낮은 450°C에서 수소를 100% 생산할 수 있고 400°C의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

새로운 촉매는 기존에 보고된 촉매들보다 같은 조건에서 수소 생산량이 약 40% 향상됐고, 촉매의 반응이 일어나는 부분(활성점)에서 약 4배 더 반응이 잘 일어나는 것으로 나타났다. 수백시간 이상의 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보여줬다.

또한 새로운 촉매는 기본 화학공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다.

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

황동원 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”고 말했다.

이번 연구는 한국화학연구원 주요사업을 통해 수행됐으며, 세계적인 에너지·환경 분야 권위지인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 발표됐다.