[가스신문 = 양인범 기자] “수소시대가 도래하면서, 수소캐리어인 암모니아로부터 수소를 생산하는 기술도 훨씬 중요해질 것입니다.”

한국에너지기술연구원 수소연구단의 구기영 책임연구원은 KAIST 생명화학공학과에서 ‘천연가스로부터 수소 및 합성가스를 생산하는 개질촉매 연구’로 박사학위를 받은 후 2009년 에너지기술연구원에 입사해 수소생산용 촉매에 관한 연구를 수행하고 있다. 그는 최근 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 새로운 촉매를 개발했다.

“우리나라는 자원 및 토지가용성 제약으로 인해 대량의 그린수소를 확보하는데 한계가 있어 해외에서 청정수소 도입이 불가피합니다. 2030년부터 대량의 청정수소 도입 계획이 있는데, 암모니아(NH₃)가 수소캐리어 역할을 합니다. 암모니아를 수입해오면 수소(H₂)로 분해해야 하는데, 암모니아 기반 고순도 수소생산용 촉매 및 반응기가 아직 전 세계 상용화 사례가 없습니다.”

구 박사는 할도톱소, 존슨매티, KBR 등 일부 해외 기업들이 천연가스 기반 대량 수소생산과 암모니아 합성 관련 촉매 및 플랜트 기술이 있지만, 암모니아 분해 공정의 핵심인 분해 촉매 성능이 아직 최적화되지 않았다는 점을 언급했다.

“암모니아 분해 반응은 흡열반응으로 높은 전환율을 달성하기 위해서는 외부에서 다량의 열 공급이 필요하기에, 저온에서 고활성·고내구성을 갖는 촉매 개발이 필요합니다. 현재 분해 활성이 우수한 것으로 알려진 루테늄 기반 촉매는 희소성 및 경제성으로 인해 대용량 수소생산 플랜트 적용이 어렵습니다. 또한, 저온에서 암모니아 분해 시 질소와 활성금속의 강한 결합으로 반응속도 결정단계인 질소 원자의 재결합 및 탈착이 어렵습니다.”

구기영 박사는 세륨을 조촉매로 첨가해 소량의 루테늄 금속을 지지체 표면에 고분산 담지해 촉매를 만들었다.

“세륨 산화물은 산소저장용량이 높아 표면 산소공석 형성이 유리하고 루테늄과 밀접한 상호작용을 만들어, 저온에서 질소 원자의 재결합 및 탈착을 촉진시켜 암모니아 분해 전환율 및 수소생성률을 기존 촉매 대비 8배 향상시키며, 유해성도 없습니다.”

촉매 성능이 우수하더라도 플랜트 공정 적용을 위한 대량제조는 어렵다. 이를 극복하기 위한 연구도 필요하다.

“플랜트 적용 촉매는 실험실 제조 파우더 촉매와 달리 다양한 형상 및 크기를 갖는 지지체에 고르게 담지해야 합니다. 이것을 플랜트 적용을 위해서 펠릿촉매의 성형 및 대량 제조에 관한 연구를 기업과 긴밀하게 협업해 암모니아 분해 촉매 국산화를 실현하고 싶습니다.”

희토류 금속은 공급이 어렵다는 단점도 있는데, 아직 암모니아 분해기반 수소생산 관련된 촉매 수명에 대한 근거는 없는 상태다.

“암모니아 분해 수소 생산 공정은 기존 천연가스 기반 수소 생산 공정 대비 촉매 작동 온도가 100℃ 정도 낮고 반응조건이 마일드해 소결(촉매 입자들이 뭉쳐서 커지는 현상)과 코킹(천연가스에서 C가 남는 현상)같은 비활성화 요소에 대한 영향이 없기에 개질 촉매보다 수명이 8~10년 더 길어질 거라고 예상합니다.”

그는 청정수소 생산을 위한 촉매 및 반응시스템 기술 국산화를 위해 더 매진할 계획이다.

“저희 연구팀은 촉매와 반응기를 함께 개발하고 있어, 개발 촉매가 실제 반응기 및 현장에 바로 적용될 수 있는 실용적 촉매 기술 개발이 가능합니다. 앞으로 개발된 우수한 촉매들이 실제 상용화까지 이뤄지도록 실증에 관한 연구지원이 강화되기 바랍니다.”