화학연, 비귀금속 '코발트-철'에 세륨 산화물 추가
저렴한 비용에 최대 81% 암모니아 분해 성능 구현
코발트-철(CoFe)을 활용해 친환경 청정수소 생산을 앞당기는 암모니아 기반 분해 촉매가 개발됐다.
한국화학연구원은 이수언 박사와 채호정 박사 연구팀이 코발트-철(CoFe) 기반의 층상 이중산화물에 세륨 산화물을 첨가해 낮은 온도에서 암모니아를 높은 효율로 분해하는 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.
수소와 질소의 화합물인 암모니아는 수소를 안전하고 효율적으로 저장·운송할 수 있는 무탄소 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 암모니아로부터 수소를 추출하려면 높은 온도에서 수소와 질소를 분해하는 화학반응이 필요한데, 귀금속으로 비싼 루테늄을 촉매로 써야 해 비용 부담이 컸다.
연구팀은 저렴한 코발트-철 기반의 층상 이중산화물(두 종류 이상의 금속 이온이 산화물을 형성해 층상으로 배열된 화합물)에 세륨 산화물을 추가해 저렴한 비용으로 우수한 암모니아 분해 성능과 저온에서 높은 효율을 유지하면서 장기간 운전이 가능한 비(非)귀금속 기반 촉매를 개발했다.
세륨 산화물은 촉매 표면의 금속입자들의 뭉침을 막고, 독특한 산화-환원 특성을 이용해 촉매의 전자 특성을 조절할 수 있다. 이를 통해 촉매 표면에서 암모니아 분해 반응을 촉진하고, 낮은 온도에서 우수한 성능을 갖게 된다.
연구팀은 450도에서 최대 81.9%의 암모니아-수소 전환율을 달성했는데, 이는 기존보다 50도 이상 낮은 온도에서 더 높은 효율을 보였다. 지난 2022년 다른 비귀금속인 니켈을 암모니아 분해 촉매로 개발했을 때의 전환율 45%를 크게 개선한 것이다. 또한 550도 온도에서 장시간 연속 운전 후 촉매의 구조적 변화가 거의 없었고, 수소 생산효율도 유지되는 안정성을 보였다.연구팀은 추가 연구를 통해 촉매의 저온 수소 생산 성능을 높이고 최적화해 2030년을 목표로 상용화할 계획이다.채호정 화학연 박사는 "지난 2022년 또다른 비귀금속인 니켈을 이용해 개발한 암모니아 기반 분해 촉매는 450도에서 암모니아 전환 효율이 45%를 기록했는데, 코발트-철을 이용해 2배 가량 높은 효율을 달성했다"며 "암모니아 기반 대형 수소생산 플랜트와 수소 발전, 수소 스테이션, 선박 등에 활용될 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '화학공학(지난해 11월)'에 게재됐다.
이준기기자 bongchu@dt.co.kr
세륨 산화물 도입에 따른 비귀금속 '코발트-철(CoFe) 기반 층상 이중 산화물 소재 기반 암모니아 분해 촉매
한국화학연구원은 저렴한 코발트-철 기반의 층상 이중산화물에 세륨 산화물을 도입해 낮은 온도에서 암모니아를 높은 효율로 분해하는 암모니아 분해 촉매를 개발했다. 사진은 개발된 암모니아 분해 촉매 샘플. 화학연 제공
