획기적인 촉매, 더 저렴하고 깨끗한 수소 생산의 길을 열다

원문 링크 보기: https://www.theearthandi.org/post/breakthrough-catalyst-unlocks-cheaper-cleaner-hydrogen

버밍엄 대학교 연구팀이 ‘친환경’ 수소 제조 비용을 다른 방식과 경쟁할 수 있는 수준으로 낮출 수 있는 무독성 광물 촉매를 개발했다. MartinStr/Pixabay

버밍엄 대학교 연구진이 개발한 새로운 촉매는 귀중한 수소 가스를 생산하는 데 필요한 물 분자를 분해하는 데 요구되는 온도를 획기적으로 낮춤으로써 저렴한 수소 생산의 길을 열어줄 수 있다.

인공적으로 생산된 ‘청정’ 수소는 오랫동안 탄소 중립(zero- ) 에너지 전환을 위한 핵심 연료로 주목받아 왔다.

이 새로운 촉매는 녹색 에너지 전환의 핵심적인 걸림돌을 해결해 준다. 수소는 중공업의 탈탄소화를 위한 잠재적으로 중요한 수단이지만, 전 세계 공급량의 약 95%는 여전히 화석 연료를 사용하여 생산되고 있다. 후자의 경우, 과열 증기를 사용하여 천연가스의 주성분인 메탄을 분해함으로써 이른바 ‘회색 수소’를 생산하는데, 이 이름은 반응 과정에서 이산화탄소가 배출되기 때문에 붙여진 것이다. 산업계에서는 전기분해(탄소 배출이 없는 ‘녹색 수소’를 생산하는 방법)도 사용하지만, 이 공정의 막대한 전기 비용 때문에 그 사용은 제한적이다. 현재 녹색 수소는 전 세계 공급량의 약 4%에 불과한다.

더 나은 방법은?

수소 생산 방법에는 세 번째 경로인 열화학적 물 분해가 있다. 하지만 촉매의 작동 및 재생에 1,300°C를 초과하는 온도가 필요한 등 극도의 고온이 요구되기 때문에, 이 방법은 대체로 실용성이 떨어졌다.

그러나 이 새로운 광물 촉매를 사용하면 필요한 작동 온도를 약 500°C 낮출 수 있어, 산업 시설에서 자체 폐열을 활용해 현장에서 청정 수소 연료를 생산할 수 있게 된다. 이 방법은 “녹색” 수소나 “파란색” 수소(후자는 증기 분해된 메탄에서 얻어지지만, 부산물인 CO₂를 포집하여 지하에 저장하는 방식)보다 비용이 훨씬 저렴할 잠재력을 가지고 있다.

열화학적 물 분해를 경제적으로 실현할 수 있게 해준 이 혁신적인 촉매는 버밍엄 대학교 화학공학과 딩 유롱(Yulong Ding) 교수가 이끄는 연구팀에 의해 공개되었다. 『International Journal of Hydrogen Energy』에 상세히 소개된 이 획기적인 성과는 바륨, 니오븀, 칼슘, 철로 만들어진 특정 산화물 결정 조성물인 BNCF에 초점을 맞추고 있다. 이 촉매는 산소 “스펀지” 역할을 하여 산소 원자를 흡수한 뒤 방출함으로써 물 원료를 분해하고, 수소를 방출하지만 CO₂는 발생시키지 않는다.

최적의 변형체인 BNCF100은 150°C에서 500°C 사이의 온도 범위에서 열화학적 물 분해를 통해 수소를 생성할 수 있게 해준다. 또한, 이 촉매는 700°C에서 1,000°C 사이에서 재생되므로, 기존 시스템에 비해 전체 작동 온도를 약 500°C 낮출 수 있다.

‘폐열’ 활용

이러한 극적인 온도 하락은 산업 탈탄소화를 위한 전례 없는 기회를 창출한다.

이 공정이 중온 범위 내에서 이루어지기 때문에, 수소 생산 시설을 고온 폐열이 풍부하게 발생하는 철강, 시멘트, 유리, 화학 제조 공장 등 중공업 시설 내에 함께 설치할 수 있다. 이러한 열 부산물을 열원으로 활용함으로써 별도의 고온 열 발생 장치가 필요하지 않게 된다.

또한, 현장에서 직접 청정 수소를 생산함으로써 수소 가스의 장거리 파이프라인 수송 및 고압 저장 시스템과 관련된 막대한 재정적·물류적 장애물을 극복할 수 있다.

예비 분석에 따르면, 이 중온 BNCF 공정을 통해 생산된 수소는 전기분해 방식으로 생산된 그린 수소나 탄소 포집 기술이 결합된 블루 수소보다 전체적으로 더 낮은 비용으로 공급될 수 있는 것으로 나타났다.

이러한 비용 이점은 호주와 같이 재생에너지 세금이 낮은 지역에서 특히 두드러진다. 또한, BNCF 산화물의 구성 물질은 널리 구할 수 있고 무독성이며, 이를 사용함으로써 고가의 백금군 금속이나 희토류 금속 사용을 피할 수 있다. 이는 상업적 규모의 합성에 대한 기대를 높여준다.

베이징과학기술대학교와 공동으로 개발된 이 기술은 상용화 단계로 빠르게 나아가고 있다. 버밍엄 대학교 엔터프라이즈(University of Birmingham Enterprise)는 이미 중온 수전해를 위한 BNCF 촉매 응용 기술을 포함하는 특허를 출원했으며, 이 청정 에너지 혁신 기술을 시장에 출시하기 위해 영국과 유럽 전역에서 개발 파트너를 적극적으로 모색하고 있다.