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KIST, 제올라이트 기반 나노 촉매개발로 암모니아에 저장된 수소추출 효율 2.5배

작성자 : 편집부 2021-01-10 | 조회 : 1621

- 대용량 수소운송 방안으로서 암모니아의 상용화 발판 마련

우리의 일상생활로 다가오고 있는 수소 경제에서는 현재의 석탄이나 석유처럼, 생산된 수소를 생산지에서 수소가 필요한 곳까지 먼 거리를 운반하고, 국가 간 수출입이 이루어져야 한다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 손현태, 윤창원 박사 연구팀이 수소가 저장된 암모니아를 분해하여 수소를 추출하기 위해 사용되는 값 비싼 귀금속인 루테늄(Ru)*의 사용량을 60% 줄인 나노 금속 촉매를 개발했다고 밝혔다.

* 루테늄 금속: 원자 번호 44번의 금속, 단단하며 은백색을 띠는 값비싼 백금족 원소.

수소의 장거리 운송을 위해서는 액체 형태의 수소로 저장하여 운송하는 방식이 고려되고 있는데, 최근 암모니아가 새로운 수소 저장체로 떠오르고 있다.

액화 암모니아(NH3)는 액화 수소보다 50% 많은 용량의 수소를 저장할 수 있으며(108kg-H2/m3), 암모니아를 고온에서 분해하게 되면 오직 수소와 질소 기체만이 생산되기 때문에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있다.

또한, 암모니아는 현재 전 세계적으로 연간 2억 톤 이상이 생산되어 산업에 사용되고 있어 현존하는 대용량 저장 및 장거리 운송을 위한 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 암모니아에서 수소를 추출하는 분해반응 자체가 높은 온도와 압력에서 진행되기 때문에 상당히 많은 열을 공급해야 한다는 문제가 있다.

일반적으로 고체 파우더 형태의 촉매를 반응 중에 함께 사용하면 반응 온도를 낮출 수 있지만, 기존 개발된 루테늄 금속기반 촉매는 가격이 매우 비싼 데다가 내구성이 좋지 않아 주기적으로 새로운 촉매로 교체해야 한다.

KIST 연구진은 루테늄 금속 입자와 제올라이트*를 진공에서 열처리하여 강하게 결합해, 나노미터(10억 분의 1미터) 크기 혹은 그보다 작은 루테늄 금속 입자가 제올라이트 지지체의 각 구멍 안에 고르게 담긴 암모니아 분해용 촉매를 개발하였다.

* 제올라이트: 실리콘과 알루미늄의 혼합산화물로써 나노미터 단위의 미세 구멍으로 연결된 결정형 광물의 일종. 촉매 지지체로 자주 사용되며, 그 종류에 따라 수 나노미터에서 수십 나노미터 크기의 구멍이 연결된 구조로 존재한다.

개발된 촉매는 암모니아 분해 성능이 기존 상용 촉매보다 2.5배 이상 좋아 루테륨 금속을 기존의 40%만 사용하고도 동일한 효율을 얻을 수 있었다.

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 예상된다.

KIST 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 말했다.

또 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 기대했다.

본 연구는 산업통상자원부(장관 성윤모) 지원을 받아 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 저명 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’(IF: 16.683, JCR 분야 상위 0.943%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Highly monodisperse sub-nanometer and nanometer Ru particles confined in alkali-exchanged zeolite Y for ammonia decomposition