화학연구원, 암모니아서 수소 생산하는 저비용 고효율 촉매 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국화학연구원은 값싸고 풍부한 금속인 니켈을 활용해 암모니아로부터 수소를 생산할 수 있는 저비용 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

암모니아는 화학식이  NH₃로 수소(H)가 포함돼 있어 촉매를 활용하면 암모니아를 분해해 수소를 생산할 수 있다. 이 반응에 필요한 촉매로는 귀금속인 루테늄이 가장 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있지만 루테늄은 희소금속으로 가격이 비싸기 때문에 이를 대체할 수 있는 촉매기술 개발이 세계적으로 진행되고 있다.

현재 대체 촉매로 루테늄을 쓸 때보다 최대 70배 정도 낮은 가격으로 촉매를 공급할 수 있는 '니켈'이 연구되고 있으나 니켈 촉매는 암모니아 분자와의 상호작용이 약해 상대적으로 성능이 떨어지고 암모니아 분자 활성화를 위해 600도 이상의 고온이 필요하다는 단점이 있다.

이에 따라 화학연구원 채호정 박사팀은 니켈 촉매 성능 향상 연구를 진행해 간편한 제조공정으로 암모니아 분해 효율을 높일 수 있는 새로운 니켈 촉매 공정 기술을 개발했다.

연구팀은 세륨 이온, 알루미늄 이온, 니켈 이온을 한꺼번에 반응시키는 간편공정으로 새로운 촉매를 만들었다.

합성된 촉매는 세륨(Ce)이 소량 포함된 알루미나(Al2O3) 지지체 표면에 니켈이 고르게 분산돼 결합한 구조를 갖고 있다.

연구팀은 양이온과 음이온 포함 물질들을 물에 넣고 한번에 반응시키는 '양이온-음이온 이중 가수분해(CADH) 원리'를 이용해 간편한 원팟(one-pot) 공정으로 촉매를 합성, 공정의 효율을 향상시켰다고 설명했다.

새로운 합성법을 활용하면 니켈이 지지체에 고르게 분산되고 지지체와 니켈의 결합력이 강해져 촉매 성능이 높아진다.

또 새 촉매는 기존 니켈 촉매와 비교해 최대 3배 가량의 암모니아 분해효율을 나타내고 루테늄 촉매와 동등한 수준이거나 그 이상의 암모니아 분해효율을 보여 루테늄을 대체할 수 있는 저렴한 상용 촉매로 가능이 높다. 특히 100시간 이상의 내구성 실험에서도 안정적인 성능을 보였다.   

이번 연구 결과를 에너지·환경 분야 세계 상위 1% 저널인 '응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)' 최신호에 발표됐다.(논문명:암모니아 분해로부터 그린 수소 생산을 위한 고활성 비루테늄계 촉매로서의 니켈계 촉매의 양이온 음이온 이중가수분해를 이용한 손쉬운 단일 합성 공정)
 
채호정 박사는 "이번에 개발한 암모니아 분해 촉매는 비귀금속으로 기존의 비싼 귀금속 촉매의 응용 한계를 극복했다"면서 "다소 높은 반응온도 열원 공급이 가능한 제철, 시멘트 등의 다양한 산업공정과 연계한 수소생산 응용공정 개발이 활발하게 이뤄질 것으로 기대한다"고 말했다.


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