에너지연, 니켈-코발트 합성 촉매 개발…청록수소 상용화 앞당긴다

니켈-코발트의 합금 형성을 통한 활성금속 입자의 분산성과 활성 향상원리.(한국에너지기술연구원 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 수 있는 신개념 니켈-코발트 합성 촉매를 개발해 주목된다.

한국에너지기술연구원 수소연구단 김우현 박사 연구진은 기존 청록수소 생산 공정보다 300도 낮은 온도에서 수소 생산 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 이를 통해 수소 생산성도 50% 향상했다.

청정수소 중 하나인 청록수소는 천연가스의 주성분인 메탄을 고온의 열로 분해해 수소와 고체 탄소를 생산하는 기술이다. 화석연료로부터 수소를 생산하지만 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않아 별도의 이산화탄소 포집, 저장 과정을 거치지 않아도 청정수소를 생산할 수 있다.

하지만 청록수소 기술은 반응에 필요한 열 공급 문제로 인해 상용화가 늦어지고 있다. 청록수소 생산에는 주로 니켈과 철 기반의 촉매가 활용되는데 저온 영역에서의 반응성이 낮아 안정적 생산을 위해서는 약 900도의 고온을 유지해야 하기 때문이다. 또 반응 이후에 수소와 함께 생성되는 탄소의 활용 방안도 많지 않아 해결이 필요한 상황이다.

이에 연구진은 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발하는데 성공했다. 개발된 촉매는 기존에 연구된 촉매에 비해 더 낮은 온도 영역에서 더 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

코발트는 탄소 소재 제품을 생산할 때 촉매로 활용돼 전기적 활성을 강화하고 내구성을 향상시키는 역할을 하는데, 연구진은 기존 니켈 촉매에 코발트를 첨가하고 함량 최적화와 재현성 확보를 위한 실험을 진행한 결과 니켈과 코발트가 각각 8%, 2% 포함될 때 가장 높은 수소 생산성을 보인다는 것을 확인했다.

연구진이 개발한 촉매는 600도의 저온 환경에서도 기존에 개발된 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높은 수소 생산성을 보였다. 또 기존 촉매의 초기 활성 유지 시간이 90분인 반면, 개발된 촉매는 기존보다 60% 길어진 약 150분 동안 초기 활성을 유지할 수 있다.

연구진은 또 반응이 일어난 후에는 촉매 표면에 탄소나노튜브가 생성되는 것을 확인했다. 이 탄소나노튜브는 이차전지의 전극 소재, 건축용 소재 등에 널리 활용되는 재료로, 수소 생산과 함께 고부가가치 탄소 물질을 생산할 수 있다는 가능성을 보였다.

한국에너지기술연구원 수소연구단 김우현 박사

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 말했다.

한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구의 결과는 화학 공학 분야의 세계적 권위지 '퓨얼 프로세싱 테크놀러지'에 이달(11월) 게재됐다.

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