 친환경 청록수소 상용화 앞당기는 신개념 촉매 개발 촉매 반응 부산물로 탄소나노튜브도 생성 가능 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 수소연구단이 청록수소 생산 및 상용화를 앞당길 수 있는 신개념 니켈-코발트 합성 촉매를 개발하는데 성공했다. 청록수소는 메탄(CH4) 등의 탄화수소를 분해하여 수소와 탄소를 생산하는 기술로, 수소 생산 반응 과정에서 이산화탄소 배출이 없는 청정수소이다. 이와 함께 고부가가치 탄소 물질까지 생산할 수 있는 가능성을 보이며 “생산성과 경제성을 모두 잡은 획기적인 결과”라는 평을 듣고 있다.
자료제공 KIER
 청록수소는 천연가스인 메탄을 열분해해서 기체 수소와 고체 탄소를 얻는 기술이다. (제공: 한국생산기술연구원)
정부는 지난 2021년 『제1차 수소경제 이행 기본계획』을 통해 2050년까지 국내에 청정수소를 2천8백만 톤(t) 공급한다는 계획을 발표했다. 이에 최근 수소 연구는 온실가스 저감이 가능한 수소 생산 방식을 중심으로 활발히 진행되고 있다.
청정수소란 생산 과정에서 배출된 온실가스 양이 일정 수준 이하로 유지되어 탄소중립에 기여할 수 있는 수소로, 현재 국내에서는 수소 1kg 생산 시 배출되는 온실가스의 총량이 4kg 이하일 때 청정수소로 인정하고 있다.
 연구진이 개발한 니켈-코발트 기반 신촉매
별도의 CCS 과정 필요 없는 청록수소 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 CCS(이산화탄소 포집·저장) 과정을 거치지 않아도 청정수소를 생산할 수 있다.
그러나 청록수소 기술은 반응에 필요한 열 공급 문제로 인해 상용화가 늦어지고 있다. 청록수소 생산에는 주로 니켈과 철 기반의 촉매가 활용되는데, 저온 영역에서의 반응성이 낮아 안정적인 생산을 위해서는 900℃ 수준의 고온을 유지해야 하기 때문이다. 거기다 반응 이후에 수소와 함께 생성되는 탄소의 활용 방안도 많지 않아서, 이 또한 해결이 필요한 상황이다.
니켈에 코발트 첨가한 신개념 촉매 에너지연 수소연구단 김우현 박사 연구진은 기존 촉매의 단점을 극복하고자 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발하는데 성공했다. 이 촉매는 기존 촉매에 비해 더 낮은 온도 영역에서 더 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.
코발트는 탄소 소재 제품을 생산할 때 촉매로 활용되어 전기적 활성을 강화하고 내구성을 향상시키는 역할을 한다. 이 점에 착안한 연구진은 다양한 니켈과 코발트의 비율로 구성된 Ni-Co/CeO2 촉매를 합성하고 함량 최적화와 재현성 확보를 위해 다양한 분석기법(BET, XRD, TEM, Soft X-ray 흡수법 등) 실험을 진행했다.
그 결과, 니켈과 코발트가 각각 8%와 2% 포함될 때 가장 높은 수소 생산성을 보인다는 것을 확인했다. 개발된 촉매는 600℃의 저온 환경에서도 기존 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높은 수소 생산성을 보였다. 또 기존 촉매의 초기 활성1) 유지 시간이 90분인 반면, 개발된 촉매는 기존보다 60% 길어진 약 150분 동안 초기 활성을 유지할 수 있다.
또한 반응이 일어난 후에는 촉매 표면에 탄소나노튜브가 생성되는 것을 확인했다. 탄소나노튜브는 이차전지의 전극 소재, 건축용 소재 등에 널리 활용되는 재료로, 수소 생산과 함께 고부가가치 탄소 물질을 생산할 수 있다는 가능성을 보였다.
생산성과 경제성 모두 잡았다 연구책임자인 김우현 박사는 이번 연구결과에 대해 “수소 생산과 동시에 탄소나노튜브 생산까지 가능해 생산성 및 경제성을 모두 잡은 획기적인 성과”라며 “향후 개발된 촉매가 적용된 양산 기술을 연구하고 성능 평가를 진행해 핵심소재 기술과 반응시스템 설계기술을 확보할 것”이라고 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 ’24년 11월 1일 화학·공학 분야의 세계적인 권위지인 『Fuel Processing Technology, IF 7.2』의 JCR 화학공학(ENGINEERING, CHEMICAL), 에너지 및 연료(ENERGY & FUELS) 그리고 응용화학(CHEMISTRY, APPLIED) 분야에 모두 게재되었다. 논문 제목은 「Highly efficient Co-added Ni/CeO2 catalyst for co-production of hydrogen and carbon nanotubes by methane decomposition」이다.
 연구진이 개발한 촉매로 메탄 열분해 반응을 실험하고 있다.
1) 초기 활성이란 촉매 반응이 시작된 직후 보이는 활성 상태를 의미하는 것으로, 촉매 후보군의 성능 평가에 있어 1차 지표가 된다. 초기 활성 반응도가 높고 유지 시간이 길수록 우수한 촉매로 본다.
<Energy News>
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