일본 오이타 대학(Oita University)의 연구진은 외부 열을 가하지 않고도 암모니아에서 수소를 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 방법 중의 하나는 암모니아를 수소 공급원으로 사용하는 것이다. 암모니아가 수소와 질소로 분해하는 공정은 흡열 과정이기 때문에 생성물을 얻기 위해서는 에너지가 필요하다. 기존의 촉매 분해 반응은 유용한 양의 수소 가스를 얻기 위해서 많은 양의 열을 필요로 한다. 따라서 수소를 생산하는데 비용이 많이 든다.

이번 연구진은 이것을 해결하기 위해서 γ-Al2O3 촉매층 위에 RuO2 나노입자가 침지된 촉매를 개발했다. H2O와 CO2를 제거한 후에, 암모니아와 산소를 반응 용기 속에 주입한다. 여기서 암모니아는 촉매 표면 위에 흡착되고 온도가 증가하게 된다. 이런 온도 증가는 암모니아의 산화 분해를 촉진하고, 암모니아가 수소와 질소로 흡열 분해할 수 있는 에너지를 제공한다.

촉매 전처리는 물과 이산화탄소를 제거하기 위해서 가열할 필요가 있지만, 이후에 어떤 재가열도 필요하지 않는다. 300 ℃에서 헬륨으로 RuO2/γ-Al2O3 촉매를 전처리할 때 수소 생산에서 최대 수율을 가진다는 것을 발견했다.

흡착 온도의 차이는 암모니아와 Al2O3 간의 상호작용에 유리하다. 암모니아의 90%가 γ-Al2O3 위에 흡착된다. 이것은 암모니아가 나노입자와 γ-Al2O3 위에 화학적으로 흡착된다는 것을 의미한다.

이런 유형의 촉매는 암모니아가 수소와 질소 가스로 흡열 분해하는데 충분한 열을 제공할 수 있기 때문에 매우 흥미롭다. 수소는 대체 에너지원으로서 유망하다. 현재의 연료원은 탄소 함유 유기 분자 또는 탄소 함유 화석 연료로 구성되어 있어서 과도한 CO2(온실 가스)를 생성할 수 있다. 이런 연료 대신에 저탄소 연료를 창출하려는 노력들이 전 세계적으로 이루어지고 있고 이번 연구도 이것을 구현하는데 초점을 맞추었다.

이 연구결과는 저널 Science Advances에 “Carbon-free Hproduction from ammonia triggered at room temperature with an acidic RuO/γ-AlOcatalyst” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/sciadv.1602747).