에너지 덜 써도 청록수소를 많이 만든다

에너지기술연구원, 신개념 수소 촉매 개발
900도에서 600도로 낮춰도 수소 만들어내
촉매 사용시간도 90분에서 150분으로 증가

에너지기술연구원 수소연구단 김우현 박사팀이 개발한 청록수소 생산용 니켈-코발트 합성 촉매. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 수소연구단 김우현 박사팀이 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 수 있는 신개념 니켈-코발트 합성 촉매를 개발했다. 기존 수소 생산공정이 900도에서 이뤄지지만 새로운 촉매는 600도로 낮춰도 수소를 만들어낸다. 또한 촉매를 사용하는 시간도 90분에서 150분까지 늘어났다.

김우현 박사는 21일 "새 촉매는 수소 생산과 동시에 탄소나노튜브 생산도 가능해 생산성, 경제성 모두를 잡은 획기적 결과"라며, "향후 이 촉매가 적용된 양산 기술을 연구하고 성능 평가를 진행해 핵심 소재 기술과 반응 시스템 설계 기술을 확보할 계획"이라고 말했다.

메탄 등의 탄화수소를 분해해 나오는 청록수소는 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는다.

청정수소 중 하나인 청록수소는 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)을 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 열공급 문제로 인해 상용화가 늦어지고 있다. 주로 니켈과 철 기반의 촉매로 900도 수준의 고온에서 수소가 만들어진다. 또 반응 후에 수소와 함께 생성되는 탄소의 활용 방안이 많지 않아 해결이 필요한 상황이다.

에너지기술연구원 수소연구단 연구진이 개발한 촉매로 메탄 열분해 반응을 실험하고 있다. 에너지기술연구원 제공

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가했다. 코발트는 탄소 소재 제품을 생산할 때 촉매로 활용돼 전기적 활성을 강화하고 내구성을 향상 시키는 역할을 한다. 이 점을 착안해 최적화된 촉매 실험을 한 결과, 니켈과 코발트가 각각 8%, 2% 포함될 때 가장 높은 수소 생산성을 보였다.

이 촉매는 600도에서도 기존에 개발된 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높게 수소를 만들어냈다. 또한 기존 촉매의 초기 활성 유지 시간이 90분인 반면, 새 촉매는 기존보다 60% 길어진 약 150분 동안 수소를 생산했다.

뿐만아니라 수소생산 반응이 일어난 후에는 촉매 표면에 탄소나노튜브가 만들어졌다. 탄소나노튜브는 이차전지의 전극 소재, 건축용 소재 등에 널리 활용되는 재료로, 수소 생산과 함께 고부가가치 탄소 물질을 생산할 수 있다는 가능성을 보였다.

한편, 연구진은 새로 개발한 수소생산 촉매를 화학 공학 분야의 세계적 권위지인 '퓨얼 프로세싱 테크놀러지(Fuel Processing Technology)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자