한국화학연구원(원장 이미혜)은 채호정 박사 연구팀이 암모니아로부터 수소를 기존보다 더 높은 효율로 생산할 수 있는 에너지 저감형 촉매 공정을 개발했다고 25일 밝혔다.

암모니아(NH₃)는 질소(N)와 수소(H)의 결합이다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면, 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리돼야 한다. 높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어나는데 촉매를 통해 온도를 내릴 수 있다. 암모니아가 촉매에 달라붙으면 수소 원자 3개가 하나씩 떨어지고 질소 원자 1개만 남는데 질소가 결합해 분자 기체로 떨어져 나가 수소를 고효율로 생산할 수 있는 촉매를 개발한 것이다.

연구팀은 암모니아 분해에 최적화된 세륨(Ce)과 란타넘(La)이 포함된 복합산화물 지지체를 합성하고, 이 지지체 표면에 루테늄(Ru) 금속 나노입자가 고르게 분산된 새로운 촉매(Ru/LaxCe1-xOy)를 개발했다.  

새로운 촉매는 기존 공정보다 100°C 가량 낮은 450°C에서 수소를 100% 생산할 수 있고 400°C의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다. 새로운 촉매는 같은 조건에서 수소 생산량이 40% 향상됐다. 촉매 반응도 약 4배정도 더 높은 것으로 나타났다. 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보였다.

연구팀에 의하면 새로운 촉매는 기본 화학공정 방법인 침전법(화합물 원료를 용액상에서 침전시킨 뒤 열처리하는 방법)으로 비교적 쉽고 간단한 제조를 할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리하다.

채호정 박사는 "암모니아 분해 촉매시스템을 바탕으로 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등 다양한 공정 개발이 활발하게 이뤄질 것"이라며 "그린 수소 사회 정착에 미치는 영향이 클 것"이라고 기대했다.

황동원 탄소자원화연구단장은 “이번에 개발한 저온, 고성능 암모니아 분해 원천 촉매 기술이 수소 경제 실현을 위한 상용화 기술로 이어질 수 있도록 산학연 협력 및 실증 연구를 적극적으로 추진하겠다"고 강조했다. 

이번 연구는 한국화학연구원 주요사업으로 통해 수행됐다. 연구결과는 에너지·환경 분야 글로벌지인 '응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)' 최신호에 발표했다.