에너지연, 신개념 촉매 개발…'친환경 청록수소' 상용화 앞당긴다

기술개발 연구진 단체사진. 왼쪽부터 김기철 학생연구원, 정태성 박사, 김우현 박사, 전상구 박사, 고강석 박사, 김민철 기술원.

한국에너지기술연구원은 김우현 수소연구단 박사팀이 '청록수소' 상용화를 앞당길 신개념 니켈-코발트 합성 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

청정수소 중 하나인 청록수소는 천연가스 주성분인 메탄을 열로 분해해 수소와 고체 탄소를 생산하는 기술이다. 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않는다.

하지만 반응에 필요한 열공급 문제로 상용화가 늦어지고 있다. 안정적 생산을 위해서는 900도 고온을 유지해야 한다. 또 반응 후 함께 생성되는 탄소 활용 방안도 많지 않다.

연구진은 기존 촉매 단점을 극복하고자 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존 촉매 대비 더 낮은 온도 영역에서 더 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

연구진이 개발한 촉매로 메탄 열분해 반응을 실험하고 있다.

코발트는 탄소 소재 제품을 생산할 때 촉매로 활용돼 전기적 활성을 강화하고 내구성을 향상 시키는 역할을 한다. 이 점에 착안한 연구진은 기존 니켈 촉매에 코발트를 첨가하고 함량 최적화와 재현성 확보 실험을 진행했다. 그 결과 니켈과 코발트가 각각 8%, 2% 포함될 때 가장 높은 수소 생산성을 보였다.

개발 촉매는 600도 저온 환경에서도 기존 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높은 수소 생산성을 보였다. 또 기존 촉매 초기 활성(촉매 반응 시작 직후 활성 상태) 유지 시간이 90분인 반면, 개발 촉매는 기존보다 60% 길어진 약 150분 동안 초기 활성을 유지할 수 있다.

또 반응 후에는 촉매 표면에 탄소나노튜브가 생성되는 것을 확인했다. 탄소나노튜브는 이차전지의 전극 소재, 건축용 소재 등에 널리 활용되는 재료다. 이로써 수소 생산과 함께 고부가가치 탄소 물질을 생산할 수 있다는 가능성을 보였다.

김우현 박사는 “이번 연구결과는 수소 생산과 동시에 탄소나노튜브 생산도 가능해 생산성, 경제성 모두를 잡은 획기적 결과”라며 “향후 개발한 촉매가 적용된 양산 기술을 연구하고 성능 평가를 진행해 핵심 소재 기술과 반응 시스템 설계 기술을 확보할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 에너지연 기본사업 지원을 받아 수행됐으며, '퓨얼 프로세싱 테크놀러지'에 이달 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

[Copyright © 전자신문. 무단전재-재배포금지]