작성일 : 21-01-03 11:46
KIST 손현태·윤창원 수소연료전지연구단 박사팀, 루테늄 사용량 60% 줄인 나노 금속 촉매 개발, 암모니아로 성능·내구성·가격 잡다···수소경제 한걸음
 글쓴이 : happy
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암모니아로 성능·내구성·가격 잡다···수소경제 한걸음

  •  이유진 기자
  •  
  •  승인 2020.12.22 13:45
 

KIST, 루테늄 사용량 60% 줄인 나노 금속 촉매 개발

KIST 연구진이 개발한 암모니아 분해용 촉매 구조 모식도. [사진=KIST 제공]
KIST 연구진이 개발한 암모니아 분해용 촉매 구조 모식도. [사진=KIST 제공]
석유나 석탄 등의 화석연료를 대체할 미래 에너지원으로 수소 연료가 떠오르고 있다. 국내 연구진이 암모니아를 이용해 그간 보고된 촉매보다 성능·내구성·가격 면에서 유리한 촉매를 개발했다. 수소경제 실현에 기여할 수 있을 것으로 보인다. 

KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 손현태·윤창원 수소연료전지연구단 박사팀이 수소가 저장된 암모니아를 분해함으로써 수소 추출에 사용되는 루테늄(Ru) 사용량을 60% 줄인 나노 금속 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

수소 장거리 운송을 위해선 액체 형태의 수소로 저장·운송하는 방식이 있는데, 최근 암모니아가 새로운 수소 저장체로 떠오르고 있다. 액화 암모니아(NH3)는 액화 수소보다 50% 많은 용량의 수소를 저장할 수 있다(108kg-H2/m3). 암모니아를 고온에서 분해하면 수소와 질소 기체만이 생산되기 때문에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있다. 또 암모니아는 현재 전 세계적으로 연간 2억톤 이상이 생산돼 현존하는 대용량 저장·장거리 운송을 위한 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 암모니아에서 수소를 추출하는 분해반응 자체가 높은 온도와 압력에서 진행되기 때문에 상당히 많은 열을 공급해야 한다. 일반적으로 고체 파우더 형태의 촉매를 함께 사용하면 반응 온도를 낮출 수 있지만 기존 루테늄 금속 기반 촉매는 가격이 비싸고 내구성이 좋지 않아 주기적으로 교체해야 한다.

연구진은 루테늄 금속 입자와 제올라이트(zeolite)를 진공에서 열처리해 결합했다. 제올라이트란 알칼리·알칼리토금속의 광물을 총칭하는 말이다. 그 결과 연구진은 나노미터(nm, 10억 분의 1미터) 크기 혹은 그보다 작은 루테늄 금속 입자가 제올라이트 지지체 각 구멍 안에 고르게 담긴 암모니아 분해용 촉매를 개발했다. 

개발된 촉매는 암모니아 분해 성능이 기존 상용 촉매보다 2.5배 이상 좋아 루테륨 금속을 기존 40%만 사용하고도 동일한 효율을 얻을 수 있었다. 또한 나노미터 단위의 매우 작은 루테늄 금속 입자가 높은 반응 온도에서도 안정적으로 존재해 기존 낮은 내구성 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

손현태 박사"개발된 촉매는 제올라이트에 1나노미터 크기의 루테늄 금속이 고르게 퍼져있는 형태"라며 "기존 보고된 촉매보다 성능·내구성이 높아 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다"고 말했다. 

윤창원 박사"암모니아를 이용한 대용량 수소 운반의 중요성은 날로 커지고 있으며, 선진국 간 관련 원천기술 확보가 치열하다. 본 촉매를 현재 연구 중인 대용량 암모니아 분해 수소생산 공정에 적용하면 궁극적으로 국가 간 대용량 수소운송 상용화에 도움될 것"이라고 기대했다.

산업통상자원부 지원을 받아 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업으로 수행된 이번 연구는 에너지 환경 분야 국제 학술지 'Applied Catalysis B-Environmental' (IF: 16.683, JCR 분야 상위 0.943%) 최신 호에 게재됐다. (논문명: Highly monodisperse sub-nanometer and nanometer Ru particles confined in alkali-exchanged zeolite Y for ammonia decomposition)