나노기술 및 정책 정보

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수소 경제를 위한 국내외 유통·현지생산 생태계 구축 비용을 줄일 촉매 기술이 개발됐음.

한국과학기술연구원(KIST)은 손현태, 윤창원 박사 수소·연료전지연구단 연구팀이 암모니아를 분해해 수소를 추출하는 데 사용되는 값 비싼 귀금속 루테늄(Ru)의 사용량을 60% 줄인 나노 금속 촉매를 개발했다고 밝혔음.

수소는 부피 대비 에너지 밀도가 낮아, 암모니아, 액상 유기수소화합물 등 에너지 밀도를 높이는 저장체 연구가 활발히 이뤄지고 있음. 에너지 밀도를 높인 액체 상태의 물질로 만들면, 저장과 보관이 쉬움

액화 암모니아(NH3)는 액화 수소보다 50% 많은 용량의 수소를 저장할 수 있으며 암모니아를 고온에서 분해하게 되면 오직 수소와 질소 기체만이 생산되기 때문에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있어 기대받고 있음.

또한, 암모니아는 현재 전 세계적으로 연간 2억 톤 이상이 생산돼 현존하는 대용량 저장 및 장거리 운송을 위한 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있음. 하지만, 암모니아에서 수소를 추출하는 반응 자체가 높은 온도와 압력에서 진행되기 때문에 상당히 많은 열을 공급해야 한다는 문제가 있음.

고체 파우더 형태의 촉매를 사용하면 반응 온도를 낮출 수 있지만 기존 개발된 루테늄 금속 기반 촉매는 가격이 매우 비싼 데다가 내구성이 좋지 않아 주기적으로 새로운 촉매로 교체해 비용 부담이 상당함.

KIST 연구진은 루테늄 금속 입자와 제올라이트를 진공에서 열처리했음. 제올라이트는 미세한 구멍이 많아 반응 표면적을 넓혀 효율을 높일 수 있음. 연구진이 개발한 암모니아 분해용 촉매는 나노미터(10억 분의 1미터) 크기 혹은 그보다 작은 루테늄 금속 입자가 제올라이트 지지체의 각 구멍 안에 고르게 담긴 구조임.

개발된 촉매는 암모니아 분해 성능이 기존 상용 촉매보다 2.5배 이상 좋아 루테늄 금속을 기존의 40%만 사용하고도 동일한 효율을 얻을 수 있었음. 또한, 나노미터 단위의 매우 작은 루테늄 금속 입자가 높은 반응 온도에서도 안정적으로 존재하기 때문에, 기존 촉매의 상용화에 큰 걸림돌이었던 낮은 내구성 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상됨.

손현태 박사는 "개발된 촉매는 결정형 광물인 제올라이트에 1나노미터 크기의 루테늄(Ru) 금속이 고르게 퍼져있는 형태로, 촉매 성능 및 내구성이 기존 보고된 촉매보다 높아 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하는 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다"라고 말했음.

윤창원 박사는 "암모니아를 이용한 대용량 수소 운반의 중요성은 날로 커지고 있으며, 선진국 간의 관련 원천기술 확보가 치열하다. 본 촉매를 현재 연구 개발 중인 대용량 암모니아 분해 수소생산 공정에 적용하면 궁극적으로 국가 간 대용량 수소운송 상용화에 도움이 될 것"이라고 기대했음.

본 연구 성과는 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ 지에 게재되었으며 산업통산자원부 지원을 받아 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업으로 수행됨.