▲ 세륨 산화물 도입에 따른 비귀금속 CoFe 기반 층상 이중산화물 소재 암모니아 분해 성능 개선(출처: 한국화학연구원)

국내 연구진이 비귀금속 ‘코발트-철(CoFe)’ 기반 암모니아 분해 촉매기술을 개발해 친환경 수소 생산의 실용화를 앞당길 전망이다.

한국화학연구원(원장 이영국) 이수언 박사와 채호정 박사팀은 CoFe 기반의 층상 이중산화물(LDO)에 세륨 산화물(CeO2)을 도입해, 낮은 온도에서 높은 암모니아 분해 효율을 가진 촉매 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

암모니아(NH3)는 수소를 안전하고 효율적으로 저장 및 운송할 수 있는 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 암모니아로부터 수소를 추출하려면 높은 온도에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 화학반응이 필요하다.

이때 촉매를 사용하면 비교적 낮은 온도에서 분해 효율을 높일 수 있는데, 루테늄이 가장 우수한 성능을 보인다. 그러나 귀금속인 루테늄 촉매는 가격이 비싸고, 높은 암모니아 분해 효율을 위해 여전히 높은 온도가 요구된다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 저렴한 ‘CoFe’ 기반의 층상 이중 산화물(LDO)에 세륨 산화물을 추가한 비귀금속 기반 촉매를 개발했다. 이 촉매는 저렴한 비용으로 우수한 암모니아 분해 성능을 보이며, 저온에서도 높은 효율을 유지하고 장기간 운전이 가능하다.

세륨 산화물 도입의 장점은 CoFe 층상 이중 산화물 촉매의 표면 구조를 조정해 금속 입자들의 응집(뭉침)을 방지하고, 세륨 산화물의 독특한 산화-환원 특성(Ce³+/Ce4+ 전환)을 이용해 촉매의 전자 특성을 조절할 수 있다는 점이다.

이는 촉매 표면에서 암모니아가 질소와 수소로 분해되는 과정 중, 가장 시간이 오래 걸리는 단계(속도결정단계)인 질소의 재결합-탈착 반응이 원활해지도록 도와줘, 암모니아 분해 반응을 촉진할 수 있었다.

이 덕분에 이번에 개발한 촉매는 낮은 온도에서도 우수한 성능을 보였다. 450°C에서 최고 81.9%의 암모니아-수소 전환율을 달성했는데, 기존 다양한 촉매보다 50°C 이상 낮은 온도임에도 불구하고 효율은 더 높았다.

채호정 박사팀은 지난 ’22년 또 다른 비귀금속인 니켈을 이용한 암모니아 분해 촉매를 만들었는데, 당시 촉매가 450°C에서 암모니아 전환율 45%를 보였던 결과에 비해 매우 개선됐다. 또한 550°C의 온도에서 장시간 연속 운전 후에도 촉매의 구조적 변화가 거의 없었으며, 수소 생산 효율도 유지되는 안정성을 보였다.

연구팀은 향후 추가 연구를 통해 촉매의 저온 수소 생산 성능을 향상하고, 최적화 과정을 거쳐 ’30년경 상용화를 목표로 하고 있다.

연구진은 “개발된 촉매는 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 활용될 수 있으며, 특히 암모니아를 수소 저장체로 활용하는 시스템에 적용할 수 있다”고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기고, 재생 가능한 에너지 기반의 지속 가능한 수소 경제 구축에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.