▲ KIST-POSTECH 공동연구진이 개발한 LOHC 탈수소화용 촉매 구조 모식도.(그림=KIST)

[월간수소경제 성재경 기자] 정부가 지난해 11월에 발표한 제1차 수소경제 이행 기본계획에 따르면, 우리나라는 2030년까지 국내 수소공급량을 390만 톤으로 늘리는 것을 목표로 하고 있다. 특히 이 중 절반 이상인 196만 톤의 청정수소를 해외에서 도입할 계획이다.

이에 맞춰 대용량의 수소를 저장한 후 상온‧상압에서 운송할 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carriers) 기술이 주목을 받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소‧연료전지연구센터 손현태 박사와 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 윤창원 교수 공동연구팀은 LOHC의 수소추출 공정에 필요한 다공성 실리카(SiO2) 기반 나노촉매를 개발했다고 지난 10일 밝혔다. 

이번에 개발된 촉매는 수소추출 공정에서 발생하는 부산물의 양을 크게 줄이면서 추출 속도는 빨라 향후 대규모 수소운송 실증을 가능케 하는 핵심기술이 될 것으로 기대를 모은다.

LOHC는 유기화합물을 수소 저장, 운송, 방출을 위한 매개 물질을 활용해 대용량의 수소를 이송하는 기술이다. 경유, 휘발유 등과 성질이 비슷해 기존의 석유화학 시설 인프라를 그대로 활용할 수 있는 이점이 있고, 암모니아를 이용한 액체 기반 수송과 달리 수소의 저장과 추출 사이클을 반복할 수 있어 비용절감 효과가 있다.

다만 수소추출 공정 중 소량 발생하는 부분탈수소화물질(부산물)이 저장-추출 사이클의 반복 과정에서 누적되어 수소 저장량을 감소시키고 전체 공정의 효율을 떨어뜨린다. 또 고온에서 진행되는 수소추출 공정에서 촉매의 안정성이 낮아져 수소생산 속도가 떨어지는 문제가 있다. 

공동연구팀이 개발한 촉매는 3차원 중형 다공성 실리카(Ordered mesoporous silica, KIT-6)에 1~2나노미터(nm: 10억 분의 1m) 크기의 백금(Pt) 금속이 고르게 퍼져 있는 형태로 상용 촉매인 Pt/Al2O3보다 약 2.2배의 탈수소화 성능을 기록했으며, 액상 생성물 분포에서도 바이페닐 기반 LOHC 탈수소화 부산물이 상용 촉매 대비 1/20 수준으로 적게 발생함을 확인했다. 

또 백금 나노입자가 3차원 다공성 실리카 지지체의 각 기공 안에 존재하기 때문에 높은 반응 온도에서도 안정적이며, 장시간 사용에도 촉매의 성능이 유지되는 것을 확인했다. 

KIST 손현태 박사는 “본 연구는 촉매의 기공 크기와 바이페닐 기반 LOHC 반응물의 체류 시간을 조절해 수소 선택도와 생산 속도를 높인 경우”라며, “향후 추가 연구를 통해 본 촉매를 바이페닐 기반 외 다양한 LOHC 추출공정에 적용해보는 것이 목표”라고 말했다. 

POSTECH 윤창원 교수는 “2019년에 출범한 국내 LOHC 원천기술개발 연구단은 이미 LOHC와 관련된 촉매, 반응기, 공정, 시스템 구축 기술을 확보했으며, 앞으로 연구단에서 얻은 결과를 활용해 해외에서 대용량 수소를 LOHC로 들여오기 위한 시스템 스케일업 연구개발이 필요하다”고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 저명 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ 최신호에 게재됐다.

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