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귀금속 없이 암모니아 분해해 수소 생산하는 저가 고효율 촉매 공정 개발
작성자하이브파트너스 조회수3,692 등록일2022-05-12KRICT 온새미로
* 온새미로는 ‘있는 그대로, 자연 그대로’라는 뜻의 순우리말입니다.
귀금속 없이 암모니아 분해해 수소 생산하는
저가 고효율 촉매 공정 개발
화학공정연구본부
개발된 암모니아 분해용 촉매 반응 모식도 및 기존 촉매와
개발 촉매의 암모니아 분해효율을 비교한 그림
화학연은 값싸고 풍부한 금속인 니켈을 활용해 암모니아 분해 수소 생산 공정의 상용화 가능성을 높인, 저비용 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다. 수소는 신재생 에너지로 각광받고 있어 전세계적으로 수소의 생산, 저장, 운송 기술 개발이 이루어지고 있다. 이중 암모니아 분해 수소 생산 기술은 운송이 어려운 수소 대신 암모니아를 먼저 운송해온 다음 이를 수소로 전환할 수 있어 주목받고 있다. 암모니아를 수소로 전환하기 위해서는 촉매를 이용해서 암모니아를 분해하는 화학반응이 필요하다. 이 반응에 필요한 촉매로는 귀금속인 루테늄이 가장 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. 하지만 루테늄은 희소 금속으로서 가격이 비싸기 때문에 이를 대체할 수 있는 촉매 기술이 전세계적으로 개발되고 있다.
대체 촉매로 보통 니켈이 연구되고 있는데, 루테늄을 쓸때보다 최대 70배 정도 낮은 가격으로 촉매를 공급할 수 있다. 하지만 니켈 촉매는 암모니아 분자와의 상호작용이 약해 상대적으로 성능이 떨어지며, 암모니아 분자를 활성화하기 위해서는 600℃ 이상의 고온이 필요하다는 단점이 있다. 따라서 전세계적으로 니켈 촉매의 성능을 높이기 위한 연구가 진행 중이다.
암모니아로부터 수소생산용 비귀금속계 촉매를 개발한 연구진.
좌부터 화학연 화학공정연구본부 김영민 박사, 채호정 박사, Do Quoc Cuong 박사, 김거종 박사.
화학연 채호정 박사팀은 간편한 제조 공정으로 암모니아 분해 효율을 높일 수 있는 새로운 니켈 촉매 공정 기술을 개발했다. 연구팀은 세륨 이온, 알루미늄 이온, 니켈 이온을 한꺼번에 반응시키는 간편한 공정으로 새로운 촉매를 만들었다. 합성된 촉매는 세륨(Ce)이 소량 포함된 알루미나(Al2O3) 지지체 표면에 니켈이 고르게 분산돼 결합한 구조를 가지고 있다. 연구팀은 양이온과 음이온 포함 물질들을 물에 넣고 한번에 반응시키는 ‘양이온-음이온 이중 가수분해(CADH, cataion-anion double hydorolysis)’ 원리를 이용한 간편한 원팟(one-pot)공정으로 촉매를 합성하여 공정의 효율을 향상시켰다. 새로운 합성법을 활용하면 니켈이 지지체에 고르게 분산되고, 지지체와 니켈의 결합력이 강해져 촉매 성능이 높아진다.
새로운 촉매는 기존 보고된 니켈 촉매와 비교해 최고 수준의 암모니아 분해효율*을 나타냈다. 또한 몇몇 루테늄 촉매와도 동등한 수준이거나 그 이상의 암모니아 분해효율을 보여서, 루테늄을 대체할 수 있는 저렴한 상용 촉매로서의 가능성을 보여줬다. 또한 100시간 이상의 내구성 실험에서도 안정적인 성능을 보였다. 화학연 화학공정연구본부 채호정 박사팀은 위 연구결과를 에너지·환경 분야 세계 상위 1% 저널인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 발표했다.
화학연 채호정 박사는 “이번에 개발한 암모니아 분해 촉매는 비귀금속으로서, 기존의 비싼 귀금속 촉매의 응용한계를 극복했다. 다소 높은 반응온도 열원 공급이 가능한 제철, 시멘트 등의 다양한 산업공정과 연계해, 향후 그린 수소 사회를 위한 수소 생산 응용 공정 개발이 활발하게 이뤄질 것으로 기대한다.”고 전망했다.
이번 연구는 화학연 기본사업 및 산업자원통상부의 산업기술알키미스트프로젝트, 신재생에너지핵심기술개발 사업의 지원을 받아 수행되었다.