귀금속 사용 60% 줄인 암모니아 수소 추출용 나노촉매 개발

KIST 연구진이 개발한 암모니아 분해용 촉매 구조 모식도/사진=KIST

암모니아를 이용한 대용량 수소 운반 기술의 중요성이 날로 커지고 있는 가운데, 기존 고가의 수소 추출용 촉매를 대체하며 효율성도 높인 새로운 나노 촉매가 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 손현태, 윤창원 박사 연구팀이 수소가 저장된 암모니아를 분해하여 수소를 추출하기 위해 사용되는 값비싼 귀금속인 루테늄(Ru)의 사용량을 60% 줄인 나노 금속 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

최근 암모니아가 새로운 수소 저장체로 떠오른다. 액화 암모니아(NH3)는 액화 수소보다 50% 많은 용량의 수소를 저장할 수 있다. 암모니아를 고온에서 분해하면 오직 수소와 질소 기체만 생산되기 때문에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있어 환경 친화적이라는 평가를 받는다.

암모니아는 현재 전 세계적으로 연간 2억 톤(t)) 이상 생산돼 산업에 사용되고 있다. 즉, 현존하는 대용량 저장, 장거리 운송을 위한 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 암모니아에서 수소를 추출하는 분해반응 자체가 높은 온도·압력에서 진행되기 때문에 상당히 많은 열을 공급해야 한다는 문제가 있다.

일반적으로 고체 파우더 형태의 촉매를 반응 중에 함께 사용하면 반응 온도를 낮출 수 있지만 기존 개발된 루테늄 금속 기반 촉매는 가격이 매우 비싼데다가 내구성이 좋지 않아 주기적으로 새로운 촉매로 교체해야 한다.

KIST 연구진은 루테늄 금속 입자와 실리콘과 알루미늄의 혼합산화물인 제올라이트를 진공에서 열처리해 결합시켰다. 이를 통해 나노미터(10억 분의 1미터) 크기 혹은 그보다 작은 루테늄 금속 입자가 제올라이트 지지체의 각 구멍 안에 고르게 담긴 암모니아 분해용 촉매를 개발했다.


개발한 촉매는 암모니아 분해 성능이 기존 상용 촉매보다 2.5배 이상 좋아 루테륨 금속을 기존의 40%만 사용하고도 동일한 효율을 얻을 수 있었다.

또 루테늄 금속 입자가 높은 반응 온도에서도 안정적으로 존재하기 때문에 기존 상용화에 큰 걸림돌이었던 낮은 내구성 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

손 박사는 “개발된 촉매의 성능과 내구성이 기존 촉매보다 높아 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하는 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.