UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 액상 암모니아(NH₃)를 전기로 분해해 순도 100%에 가까운 그린수소(H2)를 대량 생산하는 데 성공했다. 연구진이 제안한 분석기술로 평가한 결과 이 방식은 물 전기분해로 수소를 만드는 것 보다 소모 전력량이 3배나 적었다.

수소를 운송하는 방법 가운데 가장 효율적인 방법으로 암모니아 합성법이 있다. 수소로 암모니아를 합성하면 1.5배 많은 수소를 운반할 수 있고 운송 중 손실이 적기 때문이다. 또 기존 액화 암모니아 운송 인프라를 활용할 수 있는 것도 장점이다. 하지만 수소를 암모니아로 합성하는 기술은 상용화되지만, 암모니아에서 다시 수소 뽑는 기술은 아직 초기 단계다.

연구팀은 다공성 니켈 폼(Ni foam) 전극을 이용해 액상 암모니아에서 수소를 추출하는 데 성공했다. 니켈 폼 전극 표면에는 순환전류법(Cyclic Voltammetry)으로 고르게 도포된 촉매(백금) 입자가 있어 효율이 높다. 이렇게 합성된 전극을 액상 암모니아 넣은 뒤 전류를 흘려주면 액상 암모니아가 분해(전기분해)되면서 수소를 얻을 수 있다. 수소 순도를 나타내는 지표인 패러데이 효율은 90% 이상이었으며, 화학반응 속도를 나타내는 전류 밀도도 500mA cm-2 이상으로 높았다.

김건태 교수는 “이번 연구에서 제시한 고효율 전극을 암모니아 전해 공정에 적용하게 된다면 암모니아 전해 수소 생산 기술 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “암모니아, 더 나아가 폐(廢) 암모니아를 ‘CO2-free 수소’로 재 자원화하는 연구 가능성도 다각적으로 제시돼 신재생에너지의 새로운 패러다임 개척했다”고 전했다.

이번 연구는 롯데케미칼 기초소재연구소 이민재, 서명기, 민형기, 최영헌 박사가 각각 공동 저자로 참여했다. 연구결과는 에너지 및 재료 분야 국제학술지 재료화학 저널 A(Journal of Materials Chemistry A) 온라인판에 3월 27일자로 공개됐으며 표지논문(inside front cover)으로 선정돼 정식출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 롯데케미칼, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF)등의 지원으로 이뤄졌다.

1. 연구배경

화석 연료 사용으로 인한 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 차세대 에너지원으로 수소가 주목받고 있다. ‘탄소중립’ 정책의 핵심으로 떠오른 수소이지만 수소 생산 과정에서 CO2 발생이 불가피하여 일각에선 “기존 수소 전략을 재검토해야한다”는 주장이 나오고 있다. 세계 주요 국가들이 생산과정에서 온실가스 배출이 없는 ‘재생 에너지 기반 그린수소’ 생산에 주목하고 있는 것은 이 때문이다. 재생에너지로 수소를 만드는 것이다. 재생에너지로 생산된 전기로 물을 분해 수소를 만든 것(Power to Gas, P2G)이 대표적이다. 이 경우 버려지는 잉여전력을 수소라는 가스에 저장하게 된다.

이에 따라 원거리에서 생산된 수소를 소비지까지 수송하고 활용하는 기술개발수요가 크게 늘고 있다. 현재 수소를 운송하는 방법으로는 액화 수소, 액상 유기수소화물(LOHC), 액상 암모니아가 제시되고 있는데, 이중 가장 효율적인 방법으로 액상 암모니아가 주목받고 있다. 액화 암모니아는 액화 수소보다 같은 부피에 1.5 배 많은 수소를 저장할 수 있고 기존 운송망을 활용할 수 있으며 운송 과정에서 손실률이 적기 때문이다. 또한, 천연가스 추출 수소와는 달리 암모니아(NH3)는 분해 시 수소(H2)와 질소(N2)만을 생성해 친환경적인 그린 수소를 생산할 수 있다는 장점이 있다.

2. 연구내용

연구진은 액상 암모니아를 활용해 수소와 질소를 생산하는 기술을 보고했다. 암모니아 전해 공정에서는 암모니아 산화 반응의 과전압을 줄여주는 촉매 제조 공정 개발이 핵심적이며, 암모니아 전해 활성도가 떨어지면 산소 발생 반응으로 반응이 변환되는 문제점이 있었다.

본 연구에서는 산소 발생 반응과 경쟁 반응이 발생하는 수계 암모니아 전해의 소비 전력을 실시간으로 평가하기 위한 in-operando GC (Gas chromatography, 가스 분석기) 분석을 진행하였다.

개발한 촉매를 전극으로 사용했을 때 수소 발생량을 실제로 측정해본 것이다. 이를 기반으로 분석 및 개발한 촉매를 암모니아 전해 시스템에 적용했을 때 높은 패러데이 효율 (약 > 90 %) 값과 동시에 월등히 빠른 수소 생산 속도 (> 500mA cm-2)을 보여주었다. 이렇게 생성된 암모니아 전해 전극은 수전해 기반 수소 생산 (225 LH2 kWh) 대비 동일 에너지 소모 기준 높은 수소 생산량 (568 LH2 kWh)을 보여줌으로써, 효율적인 수소 생산이 가능하게 하였다. 이는 같은 조건에서 실제 적용했을 때 촉매의 성능 및 시스템 전체 효율까지 짐작해볼 수 있다는 점에서 의미가 크다.

3. 기대효과

암모니아 전해 촉매의 연구 방향을 제시한 이번 연구 성과가 궁극적으로 상업화까지 이어질 경우, 에너지 및 환경 문제를 해결하는데 크게 기여할 것으로 예상된다. 특히 분석 프로토콜을 새롭게 제시함으로써 암모니아 전해 상용화를 위한 연구의 기반 연구가 될 것으로 기대가 된다.