대용량 수소 운반 핵심 기술 개발…"탄소 중립에 필수"

KIST-포스텍 공동연구팀

[아시아경제 김봉수 기자] 우리나라는 2050년 탄소 배출 제로(Net Zero)를 달성하기 위해선 대량의 수소를 해외에서 수입하는 게 필수다. 국내 연구진이 대용량의 수소를 운송하는 데 필요하는 핵심 기술을 개발해냈다.

12일 한국과학기술연구원(KIST)는 손현태 수소·연료전지연구센터 박사가 포항공과대(포스텍·POSTECH) 윤창원 화학공학과 교수와 공동으로 대용량의 수소를 저장 후 상온·상압에서 운송할 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carriers)의 의 수소 추출 공정에 필요한 다공성 실리카 기반 나노촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.

지난해 11월 정부에서 발표한 제1차 수소경제 이행 기본 계획에 따르면 우리나라는 2030년까지 국내 수소 공급량을 390만 톤으로 늘리는 것을 목표로 하고 있지만, 이 중 절반 이상인 196만 톤을 해외에서 생산된 수소로 수입하여 공급할 계획이다. 그런데, 수소는 압축시켜 선박을 이용해 국내로 이송하기 때문에 한 번에 수입할 수 있는 수소량이 제한적이라는 문제가 있다. 최근 기술이 주목받는 이유다.

연구팀이 개발된 촉매는 수소 추출공정에서 발생하는 부산물의 양을 획기적으로 줄임과 동시에 추출 속도도 빨라서 향후 대규모 수소운송 실증을 가능케 하는 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

LOHC는 유기화합물을 수소 저장, 운송 및 방출을 위한 매개 물질로 사용하여 대용량의 수소를 이송하는 기술이다. 이는 경유, 휘발유 등과 비슷한 성질을 가지고 있어 초기 투자비용 없이 기존의 석유화학 시설 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있고, 암모니아를 이용한 액체기반 수송과는 다르게 수소 저장 및 추출 사이클을 반복하는 것이 가능해 비용을 줄일 수도 있다. 하지만, 수소 추출 공정중 소량 발생하는 부분탈수소화물질(부산물)이 저장-추출 사이클의 반복 과정에서 누적되어 수소 저장량의 감소와 함께 전체 공정의 효율을 떨어뜨리는 한편, 고온에서 진행되는 수소 추출 공정에서 촉매의 안정성이 낮아져 수소생산 속도 또한 낮아진다는 문제점이 있었다.

연구팀이 개발한 촉매는 3차원 중형 다공성 실리카 (Ordered mesoporous silica, KIT-6)에 1-2 나노미터(1nm: 10억분의 1m) 크기의 백금(Pt) 금속이 고르게 퍼져있는 형태로 상용 촉매 Pt/Al2O3보다 약 2.2배의 탈수소화 성능을 기록하였으며, 액상 생성물 분포에서도 바이페닐 기반 LOHC 탈수소화 부산물이 상용 촉매 대비 20분의1 수준으로 발생했다. 뿐만 아니라 나노 백금 금속 입자가 3차원 다공성 실리카 지지체의 각 기공 안에 존재하기 때문에 높은 반응 온도에서도 안정적이며, 장시간 사용해도 촉매 성능이 유지된다는 것을 확인했다.

손 박사는 “본 연구는 촉매의 기공 크기 및 바이페닐 기반 LOHC 반응물의 체류 시간을 조절 수소해 선택도와 생산 속도를 높인 경우”라며, “향후 추가적인 연구를 통해 본 촉매를 바이페닐 기반 외 다양한 LOHC 추출공정에 적용해 보는 것이 목표”라고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 19.503, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr