암모니아에서 수소 40% 더 뽑아내는 ‘에너지 저감형’ 촉매 공정 개발

연구팀이 암모니아로부터 수소 생산용 촉매를 들고 있는 모습(좌부터 화학연 화학공정연구본부 채호정 박사, Le Thien An 박사, 김영민 박사)/사진=화학연

한국화학연구원 채호정 박사팀이 암모니아로부터 수소를 기존 공정보다 약 100°C 낮은 온도에서 약 40% 더 많이 생산할 수 있는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다고 25일 밝혔다.

암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H)의 결합으로 이뤄져 있다. 암모니아로부터 수소를 생산하려면 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 분리돼야 한다. 높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어나는 데 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.

개발된 촉매 물질(좌 : 개발된 지지체 / 우: 지지체에 루테늄이 담지된 촉매)/사진=화학연

이 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% 향상됐다. 촉매의 반응이 일어나는 부분(활성점)에서 약 4배 더 반응이 잘 일어나는 것으로 나타났다. 수백시간 이상의 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보여줬다.


또 새로운 촉매는 기본 화학공정 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단한 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다. 채 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”이라고 말했다.