▲ 개발된 암모니아 분해용 촉매 반응 모식도 및 기존 촉매와 개발 촉매의 암모니아 분해효율을 비교한 그림

국내 연구진이 암모니아를 분해 수소생산에 필요한 값비싼 루테놀 촉매를 대체하는 저비용의 촉매를 개발해 상용화가 기대된다.

한국화학연구원은 값싸고 풍부한 금속인 니켈을 활용해 암모니아 분해 수소 생산 공정의 상용화 가능성을 높인, 저비용 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

신재생에너지로 각광받는 수소는 전 세계적으로 생산, 저장, 운송 기술 개발이 이루어지고 있다. 운송이 어려운 수소를 수송하기 위한 캐리어로서 암모니아가 떠오르고 있어, 암모니아 분해 수소 생산 기술이 더욱 주목 받고 있다.

암모니아를 수소로 전환하기 위해서는 촉매를 이용해서 암모니아를 분해하는 화학반응이 필요하다. 이 반응에 필요한 촉매로는 귀금속인 루테늄이 가장 우수한 성능을 나타냈다. 하지만 루테늄은 희소 금속으로 값비싸기 때문에 대체할 수 있는 촉매 기술이 필요한 상황이다.

대체 촉매로는 니켈을 사용할 수도 있다. 루테늄을 쓸 때보다 최대 70배 정도 낮은 가격으로 촉매를 공급할 수 있지만 암모니아 분자와 상호작용이 약해 성능이 떨어져, 분자 활성화를 위해 600℃ 이상의 고온이 필요하다는 단점이 있다.

한국화학연구원 채호정 박사팀은 간편한 제조 공정으로 암모니아 분해 효율을 높일 수 있는 새로운 니켈 촉매 공정 기술을 개발했다.

연구팀은 세륨 이온, 알루미늄 이온, 니켈 이온을 한꺼번에 반응시키는 간편 공정으로 촉매를 만들었다. 합성된 촉매는 세륨(Ce)이 소량 포함된 알루미나(Al2O3) 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(one-pot) 공정으로 효율을 향상시켰다.

새로운 합성법을 활용하면 지지체와 니켈의 결합력이 강해져 촉매 성능이 높아진다. 새로운 촉매는 기존 니켈 촉매와 비교해 최고 수준의 암모니아 분해효율을 나타냈다. 또 몇몇 루테늄 촉매와도 동등한 수준이거나 그 이상의 효율을 보여, 루테늄 대체 가능성을 보여줬다. 또 100시간 이상의 내구성 실험에서도 안정적인 성능을 보였다.

화학연 채호정 박사는 “개발한 암모니아 분해 촉매는 기존 비싼 귀금속 촉매의 응용 한계를 극복했다”며 “다소 높은 반응온도 열원 공급이 가능한 제철, 시멘트 등 산업공정과 연계, 수소 생산 응용 공정 개발이 활발하게 이뤄질 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 한국화학연구원 화학공정연구본부 채호정 박사팀은 연구를 에너지·환경 분야 세계 상위 1% 저널인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 발표했다.