국내 연구진이 수소(H₂)의 대용량 저장·운반에 사용될 것으로 주목받는 암모니아(NH₃)를 분해해 수소를 추출하는 촉매의 효율을 2.5배 높이는 기술을 개발했다. 수소는 수소연료전지차 등 수소경제의 핵심이다.
한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 손현태·윤창원 박사팀은 22일 수소가 저장된 암모니아를 분해해 수소를 추출하는 고효율 나노금속 촉매를 개발, 촉매에 사용되는 값비싼 금속인 루테늄(Ru) 사용량을 60% 줄이는 기술을 개발했다고 밝혔다.
수소경제 활성화를 위해서는 수소를 안전하게 저장하고 생산지에서 필요한 곳까지 운반하며 국가 간 수출입도 이뤄져야 한다. 현재 액체 형태로 수소를 저장하고 운송하는 방식이 연구되고 있으며 액화 암모니아는 액화 수소보다 같은 부피에 50% 많은 수소를 저장(108㎏-H₂/㎥)할 수 있어 새로운 수소 저장체로 주목받고 있다.
특히 암모니아는 현재 세계적으로 연간 2억t 이상이 생산돼 산업에 사용되고 있어 기존 저장·운송 인프라를 활용할 수 있고, 고온에서 분해하면 수소와 질소 기체만 생산돼 이산화탄소(CO₂) 배출을 최소화할 수 있다.
그러나 암모니아를 분해해 수소를 추출하는 촉매로 ㎏당 가격이 니켈(Ni. 18달러)보다 400~500배 비싸고 내구성이 약한 루테늄(Ru. 8천700 달러)이 사용되고 500℃ 이상 고온과 고압에서 진행돼 많은 에너지를 소모하기 때문에 이 반응의 효율을 높이는 게 과제다.
연구팀은 지름 2㎚(나노미터 :10억분의 1ｍ) 이하의 구멍들이 수없이 많은 제올라이트를 지지체로 사용하고 그 구멍 속에 나노미터 단위의 루테늄 금속 입자를 고르게 분산, 결합하는 방법으로 기존 상용 촉매보다 암모니아 분해 성능이 2.5배 높은 촉매를 만들었다.
이 촉매는 효율이 2.5배 향상됨에 따라 루테늄을 기존 촉매의 40%만 사용하고도 같은 효율을 얻을 수 있고, 루테늄 나노입자가 제올라이트 구멍 안에 안정적으로 존재해 기존 촉매 상용화에 걸림돌이 된 낮은 내구성 문제도 해결할 수 있다고 연구팀은 예상했다.
손현태 박사는 “개발된 촉매는 결정형 광물인 제올라이트에 1㎚ 크기의 루테늄 금속이 고르게 퍼져있는 형태로, 촉매 성능과 내구성이 기존 촉매보다 높아 암모니아에서 고순도 수소를 생산하는 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라며 “산업화를 위해 20㎥ 규모로 공정을 확대하는 연구를 하고 있다”고 말했다.
연구 결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘응용 촉매 B-환경'(Applied Catalysis B-Environmental) 최신호에 게재됐다.