한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 수소연구단 김우연 박사 연구팀이 청록수소 생산 및 상용화를 앞당길 새로운 개념의 니켈-코발트 합성 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.
청록수소는 메탄(CH4) 등의 탄화수소를 분해해 수소와 탄소를 생산하는 기술로, 수소 생산 반응과정에서 이산화탄소 배출이 없는 장점이 있다.
정부는 2021년 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’으로 2050년까지 국내에 청정수소 2800만t을 공급하는 계획을 발표했다. 이를 두고 최근에는 수소 연구는 온실가스 저감이 가능한 수소 생산 방식을 중심으로 활발하게 진행되는 중이다.
청정수소는 생산과정에 배출된 온실가스 양이 일정 수준 이하로 유지돼 탄소중립에 기여할 수 있는 수소를 말한다. 현재 국내에서는 수소 1㎏가 생산될 때 배출되는 온실가스가 4㎏ 이하일 때 청정수소로 인정한다.
청록수소는 청정수소의 일종으로, 천연가스의 주성분인 메탄을 고온의 열로 분해해 수소와 고체 탄소를 생산한다. 화석연료를 기반으로 수소를 생산하지만, 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않아 별도의 이산화탄소 포집·저장 과정을 거치지 않고도 청정수소를 생산할 수 있다는 것이 청록수소의 가장 큰 장점이다.
하지만 청록수소 기술은 반응에 필요한 열 공급 문제 때문에 상용화가 늦어지는 실정이다. 청록수소 생산에는 주로 니켈과 철 기반의 촉매가 활용되는데, 저온 영역에서는 반응성이 낮다. 이 때문에 청록수소를 안정적으로 생산하기 위해서는 900도 수준의 고온을 유지해야 하고, 반응 이후 수소와 함께 생성되는 탄소를 활용할 방안도 적은 문제가 있다.
연구팀은 촉매의 이러한 단점을 극복하기 위해 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발했다. 새롭게 개발한 촉매는 기존 촉매보다 낮은 온도에서 더 높은 효율로 수소를 생산할 수 있게 한다.
가령 코발트는 탄소 소재 제품을 생산할 때 촉매로 활용돼 전기적 활성을 강화하고, 내구성을 향상하는 역할을 한다. 이 점에 착안한 연구팀은 기존 니켈 촉매에 코발트를 첨가하고, 함량 최적화와 재현성 확보를 위한 실험을 진행해 니켈 8%, 코발트 2% 비율일 때 가장 높은 수소 생산성을 보인다는 것을 확인했다.
개발된 촉매는 600도의 저온 환경에서도 기존에 개발된 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높은 수소 생산성을 보였다. 또 기존 촉매의 초기 활성 유지 시간은 90분이지만 연구팀이 개발한 촉매는 기존보다 60% 길어진 150분간 초기 활성을 유지하는 것도 확인됐다.
초기 활성은 촉매 반응이 시작된 직후 보이는 활성 상태를 의미하는 것으로, 촉매 후보군의 성능평가에서 1차 지표가 된다. 초기 활성 반응도가 높고, 유지 시간이 길수록 우수한 촉매로 평가된다.
연구팀은 반응이 일어난 후 촉매 표면에 탄소나노튜브가 생성되는 것도 확인했다. 탄소나노튜브는 이차전지의 전극 소재, 건축용 소재 등에 널리 활용되는 재료로 수소 생산과 함께 고부가가치 탄소 물질을 생산할 가능성을 보인다.
김우현 박사는 “이번 연구 결과는 수소와 탄소나노튜브를 동시 생산하는 것이 가능해 생산성, 경제성 모두를 충족할 획기적 성과”라며 “연구팀은 개발한 촉매를 적용할 양산 기술을 연구하고, 성능 평가를 진행해 핵심 소재 기술과 반응 시스템 설계 기술을 확보하는 데 주력할 계획”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 화학 공학 분야에서 세계적 권위지로 꼽히는 ‘퓨얼 프로세싱 테크놀러지(Fuel Processing Technology)’에 이달 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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