암모니아에서 수소를 보다 효율적으로 분해할 수 있는 촉매 합성법이 개발됐다. 암모니아는 수소 원자 3개와 질소 원자 1개로 구성됐다. 수소 함량이 높아 장거리 운송과 대용량 저장이 가능한 수소 운반체로 주목받는다. 암모니아는 전 세계적으로 운반·저장 인프라가 풍부해 다른 수소 운반체보다 경제적이라는 평가를 받지만, 수요지에서 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 기술은 아직 초기 개발단계다.
한국에너지기술연구원은 수소연구단 구기영 박사 연구팀이 기존보다 성능이 3배 높아진 신개념 암모니아 분해 촉매 합성법을 개발했다고 3일 밝혔다.
연구팀이 개발한 기술의 핵심은 루테늄(Ru) 촉매다. 루테늄을 사용하면 다른 촉매보다 100도 이상 낮은 500~600도에서도 암모니아를 빠르게 분해할 수 있다.
단 루테늄은 소수 국가에만 존재하는 매우 희귀한 금속으로 촉매로 사용하는 데 어려움이 따른다. 이 때문에 현재까지는 적은 양으로도 성능을 내기 위해 나노 수준으로 크기를 줄여 루테늄을 활용하고 있다. 하지만 나노 촉매는 대량 생산 공정이 복잡하고 제조 비용도 높아 암모니아 분해 기술의 상용화를 이끄는 데 한계가 따랐다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 폴리올 공정 기반의 신개념 루테늄 촉매 합성법을 개발해 촉매의 경제성을 개선했다. 실제 신개념 합성법으로 생산한 촉매는 기존 촉매보다 3배 이상 높은 암모니아 분해 성능을 보였다.
연구팀이 적용한 폴리올 공정은 주로 금속을 나노 입자로 합성하는 데 쓰이는 공정이다. 기존 공정에서는 입자끼리 뭉치는 현상을 막기 위해 안정화제를 넣는데 이 때문에 공정이 복잡해지고 비용도 커지는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 안정화제를 사용하지 않고도 나노 입자의 응집을 제어하는 방법을 고안했다. 탄소사슬(탄소 원자가 서로 연결된 구조)로 불리는 유기 분자의 길이가 입자의 응집 정도에 영향을 준다는 점에 주목해 탄소사슬 구조와 길이를 조절했을 때 별도의 첨가제 없이 나노 입자의 응집을 효과적으로 억제할 수 있다는 점을 활용했다.
실제 탄소사슬 길이가 긴 부틸렌글리콜을 활용하면 안정화제 없이도 2.5㎚ 크기의 루테늄 입자가 균일하게 분산되고 수소 생성 반응이 일어나는 'B5 사이트(3개 루테늄 원자가 계단형 표면에 위치하고, 그 위에 2개 원자가 테라스 모서리에 있는 형태)'가 형성된다는 것이 실험을 통해 확인됐다.
이를 통해 생성된 촉매는 부틸렌글리콜을 사용하지 않은 기존 루테늄 촉매보다 활성화 에너지는 20% 낮아지고, 수소 생성률은 1.7배 증가했다. 또 단위 부피당 암모니아 분해 반응 성능을 비교했을 때는 기존 합성법으로 만든 촉매보다 3배 이상 높아 경제성 확보가 가능해졌다.
구기영 박사는 "이번에 개발한 암모니아 분해 촉매 합성 기술은 기존 나노 촉매 대량 제조의 한계와 비용 문제를 해결할 실용적 기술"이라며 "향후 암모니아 분해 촉매 기술의 국산화와 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
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한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노 분야 저명 학술지 '스몰(Small)'의 표지 논문으로 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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