수소는 생산과정에서 사용되는 원료와 생산기술에 따라 색깔로 구분한다.
청정수소 중 하나인 청록수소는 천연가스를 고온 반응기에 주입해 수소와 고체탄소로 분해하는 열분해 기술로 생산한 수소를 말한다. 생산과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는다.
그러나 청록수소 생산기술은 반응에 필요한 열공급 문제로 인해 상용화가 늦어지고 있다.
청록수소 생산에는 주로 니켈과 철 기반의 촉매가 활용되는데 저온 영역에서 반응성이 낮아 안정적 생산을 위해서는 900℃ 수준의 고온을 유지해야 하기 때문이다. 또 반응 이후에 수소와 함께 생성되는 탄소의 활용 방안도 많지 않아 상용화도 쉽지 않다.
그런데 최근 국내 연구진이 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 수 있는 촉매를 개발했다.
한국에너지기술연구원의 수소연구단 김우현 박사 연구진은 기존 촉매의 단점을 극복하고자 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가한 신개념 촉매를 개발하는데 성공했다.
코발트는 탄소 소재 제품을 생산할 때 촉매로 활용돼 전기적 활성을 강화하고 내구성을 향상시키는 역할을 한다. 이 점에 착안한 연구진은 기존 니켈 촉매에 코발트를 첨가하고 함량 최적화와 재현성 확보를 위한 실험을 진행했다. 그 결과 니켈과 코발트가 각각 8%, 2% 포함될 때 가장 높은 수소 생산성을 보인다는 것을 확인했다.
개발된 촉매는 600℃의 저온 환경에서도 기존에 개발된 촉매보다 초기 30분 활성 기준 50% 이상 높은 수소 생산성을 보였다. 또 기존 촉매의 초기 활성 유지 시간이 90분인 반면 개발된 촉매는 기존보다 60% 길어진 약 150분 동안 초기 활성을 유지할 수 있다.
또 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.
김우현 박사는 “이번 연구결과는 수소 생산과 동시에 탄소나노튜브 생산도 가능해 생산성, 경제성 모두를 잡은 획기적 결과”라며 “향후 개발한 촉매가 적용된 양산 기술을 연구하고 성능 평가를 진행해 핵심 소재 기술과 반응 시스템 설계 기술을 확보할 계획”이라고 밝혔다.