- 기존 촉매보다 암모니아 분해 성능 3배 높은 폴리올 공정 기반 루테늄 촉매 합성법 개발

- 기존 루테늄 촉매 대비 활성화 에너지 20% 저감, 수소 생성률은 1.7배 올라

- 나노 과학 및 나노 기술 분야 저명 학술지 ‘스몰’ 표지 논문 선정

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연) 수소연구단 구기영 박사 연구진이 기존보다 경제성이 향상된 신개념 암모니아 분해 촉매 합성법을 개발했다. 이를 활용하면 암모니아에서 수소를 더 효율적으로 분해할 수 있어 수소 경제 실현에 크게 기여할 것으로 기대된다.

□ 3개의 수소 원자와 1개의 질소 원자로 구성된 암모니아는 수소 함량이 높아 장거리 운송과 대용량 저장이 가능한 수소 운반체로 주목받고 있다. 이미 전 세계적으로 운반, 저장 인프라가 갖춰져 있어 다른 수소 운반체에 비해 경제적으로 수소를 운반할 수 있다. 하지만 수요지에서 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 기술은 아직 초기 개발 단계에 머물러 있다.

□ 이 기술의 핵심은 루테늄(Ru) 촉매다. 루테늄을 사용하면 다른 촉매보다 100도 이상 낮은 500도~600도의 온도 조건에서도 암모니아를 빠르게 분해할 수 있다. 문제는 루테늄이 소수의 국가에만 존재하는 매우 희귀한 금속이라 구하기 어렵다는 점이다.

□ 현재까지는 적은 양으로도 성능을 내기 위해 크기를 나노 수준으로 줄여 활용하고 있다. 하지만 나노 촉매는 대량 생산 공정이 복잡하고 제조 비용도 높아 암모니아 분해 기술의 상용화를 저해하고 있다.

■ 이에 연구진은 촉매의 경제성을 개선할 수 있는 폴리올 공정 기반의 신개념 루테늄 촉매 합성법을 개발했다. 이를 통해 생산한 촉매는 기존 촉매에 비해 3배 이상 높은 암모니아 분해 성능을 나타냈다.

□ 연구진이 적용한 폴리올^* 공정은 주로 금속을 나노 입자로 합성하는 데 쓰이는 공정이다. 기존 공정에서는 입자끼리 뭉치는 현상을 막기 위해 안정화제를 넣는데, 이로 인해 공정이 복잡해지고 비용도 증가한다는 단점이 있었다. 이에 연구진은 안정화제를 사용하지 않고도 나노 입자의 응집을 제어하는 방법을 고안했다.

* 폴리올 : 여러 개의 –OH(하이드록시기)를 가진 알코올 종류의 끈적하고 점성이 있는 액체로, 금속을 나노입자로 환원시키는 공정에 자주 사용됨. 대표적으로 에틸렌글리콜, 글리세롤, 부틸렌글리콜 등이 있음

□ 연구진은 탄소사슬^*이라 불리는 유기 분자의 길이가 입자의 응집 정도에 영향을 준다는 점에 주목했다. 탄소사슬의 구조와 길이를 조절하면 첨가제 없이도 나노 입자의 응집을 효과적으로 억제할 수 있다고 본 것이다.

* 탄소사슬 : 탄소 원자들이 서로 연결된 구조로, 물질에 포함된 탄소원자의 개수에 따라 길이가 달라짐

□ 연구진은 실험을 통해 탄소사슬 길이가 긴 부틸렌글리콜을 활용하면 안정화제 없이도 2.5나노미터(nm) 크기의 루테늄 입자가 균일하게 분산되고 수소 생성 반응이 일어나는 ‘B5 사이트’^*가 형성된다는 것을 확인했다.

* B5 사이트: 3개의 루테늄 원자가 계단형 표면에 위치하고, 그 위에 2개의 원자가 테라스 모서리에 있는 형태로, 높은 반응성을 유도함

□ 이를 통해 생성된 촉매는 기존 촉매의 성능을 크게 웃돌았다. 부틸렌글리콜을 사용하지 않은 기존 루테늄 촉매와 비교했을 때, 활성화 에너지^*는 약 20% 낮아졌고 수소 생성률^**은 1.7배 증가했다. 또한 단위 부피당 암모니아 분해 반응 성능을 비교한 결과, 기존 합성법으로 만든 촉매보다 3배 이상 높은 것으로 나타나 뛰어난 경제성을 보였다.

* 활성화 에너지: 화학반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지로 kJ·mol^-1(분자 1몰당 수소생산 반응에 필요한 킬로칼로쥴)로 표현. 연구진이 생성한 촉매의 활성화 에너지는 49.8kJ·mol^-1을 나타냄

** 수소 생성률: 본 연구에서는 mmol_H2·g_cat^-1·h^-1(1그램의 촉매가 1시간 동안 만든 수소의 양)의 단위로 계산, 연구진이 생성한 촉매의 수소 생성률은 1,236 mmol_H2·g_cat^-1·h^-1을 나타냄

■ 연구책임자인 구기영 박사는 “이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 합성 기술은 기존 나노촉매 대량 제조의 한계와 비용 문제를 해결할 수 있는 실용적인 기술로, 암모니아 분해 촉매 기술 국산화와 실용화에 기여할 수 있을 것”이라며, “앞으로 펠릿 촉매 양산과 다양한 암모니아 크래킹 시스템 적용을 통해 성능 검증을 진행할 계획”이라고 밝혔다.

■ 이번 성과는 나노분야 저명 학술지 ‘스몰(Small, IF 12.1)’의 표지논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.