보도자료
비귀금속 코발트-철 활용한 암모니아 분해 촉매로 수소 생산 효율화
작성자대외협력실(강가람) 조회수34,364 등록일2025-02-16[보도자료] 비귀금속 코발트-철 활용한 암모니아 분해 촉매로 수소 생산 효율화_20250214.hwp [2,786.5 KB] 미리보기
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![[그림 3] 주요 논문 기여자(오른쪽부터 이유진 연구원(공동저자), 채호정 책임연구원(교신저자), 이수언 연구원(제1저자), Le Thien An 박사후연구원(공동저자), 김영민 선임연구원(공동저자))](/thumbnail/BBSMSTR_000000000687/920_BBS_202502171046565150.jpg)
- 기존 낮은 성능의 비귀금속 촉매를 개선하여, 고성능 귀금속 촉매의 높은 비용 문제를 해결
- 2022년 결과(니켈 비귀금속 촉매, 450℃에서 45% 분해)를 대폭 개선, 450℃에서 81.9% 암모니아 분해
- 장기간 운전 성능도 유지하여, 550℃에서 연속 작동하더라도 성능 저하 미미
- 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 널리 활용 기대
□ 국내 연구진이 비귀금속 ‘코발트-철(CoFe)’ 기반 암모니아 분해 촉매 기술을 개발하여 친환경 수소 생산을 앞당겼다.
ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 이수언 박사와 채호정 박사팀은 CoFe 기반의 층상 이중산화물(LDO)에 세륨 산화물(CeO₂)을 도입하여, 낮은 온도에서 높은 암모니아 분해 효율을 가진 촉매 기술을 개발했다.
<이수언 연구원이 이번에 개발한 비귀금속 기반 촉매 샘플을 보여주고 있다.>
□ 암모니아(NH₃)는 수소(H₂)를 안전하고 효율적으로 저장 및 운송할 수 있는 친환경 에너지원으로 주목받고 있다.
ㅇ 그러나 암모니아로부터 수소를 추출하려면 높은 온도에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 화학반응이 필요하다. 이때 촉매를 사용하면 비교적 낮은 온도에서 분해 효율을 높일 수 있는데, 루테늄이 가장 우수한 성능을 보인다. 그러나 귀금속인 루테늄 촉매는 가격이 비싸고, 높은 암모니아 분해 효율을 위해 여전히 높은 온도가 요구된다.
□ 연구팀은 이를 극복하기 위해 저렴한 ‘CoFe’ 기반의 층상 이중 산화물(LDO)에 세륨 산화물을 추가한 비귀금속 기반 촉매를 개발했다. 이 촉매는 저렴한 비용으로 우수한 암모니아 분해 성능을 보이며, 저온에서도 높은 효율을 유지하고 장기간 운전이 가능하다.
<Le Thien An 박사후연구원이 암모니아 분해 반응기에 촉매가 담긴 시험관을 결합시키고 있다.>
<이유진 연구원이 암모니아 분해 반응기를 조작하고 있다.>
ㅇ 세륨 산화물 도입의 장점은 CoFe 층상 이중 산화물 촉매의 표면 구조를 조정하여 금속 입자들의 응집(뭉침)을 방지하고, 또한 세륨 산화물의 독특한 산화-환원 특성(Ce³+/Ce⁴+ 전환)을 이용해 촉매의 전자 특성을 조절할 수 있다는 점이다.
ㅇ 이는 촉매 표면에서 암모니아가 질소와 수소로 분해되는 과정 중, 가장 시간이 오래 걸리는 단계(속도결정단계)인 질소의 재결합-탈착 반응이 원활해지도록 도와줘, 암모니아 분해 반응을 촉진할 수 있었다.
ㅇ 이 덕분에 이번에 개발한 촉매는 낮은 온도에서도 우수한 성능을 보였다. 450°C에서 최고 81.9%의 암모니아-수소 전환율을 달성했는데, 기존 다양한 촉매보다 50°C 이상 낮은 온도임에도 불구하고 효율은 더 높았다. 채호정 박사팀은 지난 2022년 또 다른 비귀금속인 니켈을 이용한 암모니아 분해 촉매를 만들었는데, 당시 촉매가 450°C에서 암모니아 전환율 45%를 보였던 결과에 비해 매우 개선된 것이다.
ㅇ 또한 550°C의 온도에서 장시간 연속 운전 후에도 촉매의 구조적 변화가 거의 없었으며, 수소 생산 효율도 유지되는 안정성을 보였다.
□ 연구팀은 향후 추가 연구를 통해 촉매의 저온 수소 생산 성능을 향상하고, 최적화 과정을 거쳐 2030년경 상용화를 목표로 하고 있다.
ㅇ 연구진은 “개발된 촉매는 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 활용될 수 있으며, 특히 암모니아를 수소 저장체로 활용하는 시스템에 적용할 수 있다.”고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기고, 재생 가능한 에너지 기반의 지속 가능한 수소 경제 구축에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
ㅇ 이번 논문은 2024년 11월 국제 학술지 ‘화학 공학(Chemical Engineering Journal(IF: 13.3))’에 게재되었다. 화학연 채호정 박사가 교신저자로, 이수언 박사가 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 “신재생에너지핵심기술개발사업”의 지원을 받아 수행됐다.
* (논문 DOI 주소) https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156986