암모니아로부터 생산된 수소의 다양한 활용 개념도/한국화학연구원 제공
한국화학연구원 채호정 박사팀이 암모니아를 수소로 전환하는데 필수적인 귀금속 루테늄을 대체할 수 있는 저비용 고효율 니켈 촉매를 제조하는 기술을 개발했다.
현재 촉매를 이용해 암모니아를 분해해 수소를 생산하고 있다.
촉매로 가장 우수한 성능을 보이는 귀금속인 루테늄이 사용되고 있다.
다만 가격이 비싸 이를 대체할 수 있는 촉매로 최대 70배 정도 가격이 싼 니켈이 연구되고 있다.
문제는 니켈 촉매가 암모니아 분자와의 상호작용이 약해 성능이 떨어지며 암모니아 분자를 활성화하기 위한 600도 이상의 고온이 필요하다는 점이다.
연구팀은 세륨 이온, 알루미늄 이온, 니켈 이온을 한꺼번에 반응시키는 간편한 공정으로 새로운 촉매를 만들었다.
합성 촉매는 세륨(Ce)이 소량 포함된 알루미나(Al₂O₃) 지지체 표면에 니켈이 고르게 분산돼 결합한 구조를 가지고 있다.
양이온과 음이온 포함 물질들을 물에 넣고 한번에 반응시키는 ‘양이온-음이온 이중 가수분해(CADH)’ 원리를 이용한 간편한 원팟(one-pot) 공정으로 촉매를 합성했다.
니켈이 지지체에 고르게 분산되고, 지지체와 니켈의 결합력이 강해져 촉매 성능이 높아진 것을 확인했다.
기존 니켈 촉매와 비교해 최대 3배 가량의 암모니아 분해효율을 나타냈다.
루테늄 촉매와 동등하거나 그 이상의 효율을 보여 루테늄을 대체할 수 있을 것으로 평가받고 있다.
100시간 이상의 내구성 실험에서도 안정적인 성능을 보였다.
암모니아 분해용 촉매 반응 모식도 및 기존 촉매와의 암모니아 분해효율 비교도/한국화학연구원 제공
이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 세계 상위 1% 저널인 ‘응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)’ 최신호에 게재됐다.
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