[에너지산업신문]

메탄 등 탄화수소를 분해해 수소와 탄소를 생산하는 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 신개념 촉매를 한국에너지기술연구원 수소연구단이 개발했다.

25일 한국에너지기술연구원에 따르면 김우현 수소연구단 박사 연구진은 기존 니켈 촉매에 코발트를 첨가하고 함량 최적화와 재현성 확보를 위한 실험을 진행했다. 그 결과, 니켈과 코발트가 각각 8%, 2% 포함될 때 수소 생산성이 가장 높다는 점을 확인했다. 탄소소재 제품을 생산할 때 촉매로 코발트를 첨가하면 전기 활성을 강화하고 내구성도 높아지는 점에 착안해 니켈 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발한 것이다.

이번에 개발된 촉매는 기존에 연구된 촉매에 비해 더 낮은 온도 영역에서 더 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다. 600℃의 저온 환경에서도 현재 사용 중인 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높은 수소 생산성을 보였다. 기존 니켈 촉매의 초기 활성 유지 시간이 90분인 반면, 개발된 촉매는 기존보다 60% 길어진 약 150분 동안 초기 활성을 유지할 수 있다.

초기 활성은 촉매 반응 시작 직후 보이는 활성 상태로, 촉매 개발 시 성능 평가의 1차 지표다. 기준 시간 내에서 초기 활성 반응도가 높고 유지 시간이 길수록 우수한 촉매로 평가한다.

또 수소 생산 반응이 일어난 후에는 촉매 표면에 부산물로 탄소나노튜브가 생성되는 것을 확인했다. 탄소나노튜브는 이차전지 전극 소재, 건축용 소재 등에 널리 활용되는 고부가가치 재료다.

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 공학 분야의 세계적 권위지인 ‘퓨얼 프로세싱 테크놀러지’(Fuel Processing Technology, IF 7.2)’에 2024년 11월 게재됐다.

정부는 2021년 제1차 수소경제 이행 기본계획을 통해 2050년까지 국내에 탄소중립에 기여할 수 있도록 수소 1kg 생산 시 온실가스를 4kg 이하로 배출하는 청정수소를 2800만 톤 공급한다는 계획을 발표했다.

메탄(CH4) 등의 탄화수소를 고온의 열을 이용해 이산화탄소 배출 없이 분해해 수소와 탄소를 생산할 수 있는데, 이 기술을 이용해 생산한 수소를 ‘청록수소’라고 한다. 하지만 청록수소 기술은 반응에 필요한 열공급 문제로 인해 상용화가 늦어지고 있다.

청록수소를 생산할 때는 주로 니켈과 철 기반의 촉매가 활용되는데 저온 영역에서의 반응성이 낮아 안정적 생산을 위해서는 900℃ 수준의 고온을 유지해야 한다. 반응 이후에 수소와 함께 생성되는 탄소도 활용 방안이 마땅치 않았다.

연구책임자인 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.

김우현 한국에너지기술연구원 수소연구단 박사 연구진(위)이 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 신개념 니켈 코발트 촉매(아래 왼쪽)를 개발했다. 아래 오른쪽은 수소 생산 공정 실험을 하는 연구진. (c)한국에너지기술연구원

에너지산업신문 박명석 knews7@eitimes.kr 박명석의 기사 더보기

저작권자 ⓒ 에너지산업신문, 무단 전재 및 재배포 금지