보도자료
배포일	2025년 2월 14일(금) 08:00			엠바고	온라인 : 2025년2월16일(일) 12:00 지 면 : 2025년2월17일(월) 조간
문 의	연구부서	화학공정연구본부 이수언 연구원(042-860-7525, 010-6263-1357) 화학공정연구본부 채호정 책임연구원(042-860-7290, 010-5659-4510)
	홍보부서	대외협력실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 대외협력실 강가람 선임행정원(042-860-7815, 010-4699-2639)

비귀금속 코발트-철 활용한 암모니아 분해 촉매로 수소 생산 효율화 - 기존 낮은 성능의 비귀금속 촉매를 개선하여, 고성능 귀금속 촉매의 높은 비용 문제를 해결 - 2022년 결과(니켈 비귀금속 촉매, 450℃에서 45% 분해)를 대폭 개선, 450℃에서 81.9% 암모니아 분해 - 장기간 운전 성능도 유지하여, 550℃에서 연속 작동하더라도 성능 저하 미미 - 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 널리 활용 기대

□ 국내 연구진이 비귀금속 ‘코발트-철(CoFe)’ 기반 암모니아 분해 촉매 기술을 개발하여 친환경 수소 생산을 앞당겼다.

◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 이수언 박사와 채호정 박사팀은 CoFe 기반의 층상 이중산화물(LDO)에 세륨 산화물(CeO2)을 도입하여, 낮은 온도에서 높은 암모니아 분해 효율을 가진 촉매 기술을 개발했다.

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□ 암모니아(NH3)는 수소(H2)를 안전하고 효율적으로 저장 및 운송할 수 있는 친환경 에너지원으로 주목받고 있다.

◯ 그러나 암모니아로부터 수소를 추출하려면 높은 온도에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 화학반응이 필요하다. 이때 촉매를 사용하면 비교적 낮은 온도에서 분해 효율을 높일 수 있는데, 루테늄이 가장 우수한 성능을 보인다. 그러나 귀금속인 루테늄 촉매는 가격이 비싸고, 높은 암모니아 분해 효율을 위해 여전히 높은 온도가 요구된다.

□ 연구팀은 이를 극복하기 위해 저렴한 ‘CoFe’ 기반의 층상 이중 산화물(LDO)에 세륨 산화물을 추가한 비귀금속 기반 촉매를 개발했다. 이 촉매는 저렴한 비용으로 우수한 암모니아 분해 성능을 보이며, 저온에서도 높은 효율을 유지하고 장기간 운전이 가능하다.

◯ 세륨 산화물 도입의 장점은 CoFe 층상 이중 산화물 촉매의 표면 구조를 조정하여 금속 입자들의 응집(뭉침)을 방지하고, 또한 세륨 산화물의 독특한 산화-환원 특성(Ce³⁺/Ce4⁺ 전환)을 이용해 촉매의 전자 특성을 조절할 수 있다는 점이다.

◯ 이는 촉매 표면에서 암모니아가 질소와 수소로 분해되는 과정 중, 가장 시간이 오래 걸리는 단계(속도결정단계)인 질소의 재결합-탈착 반응이 원활해지도록 도와줘, 암모니아 분해 반응을 촉진할 수 있었다.

◯ 이 덕분에 이번에 개발한 촉매는 낮은 온도에서도 우수한 성능을 보였다. 450°C에서 최고 81.9%의 암모니아-수소 전환율을 달성했는데, 기존 다양한 촉매보다 50°C 이상 낮은 온도임에도 불구하고 효율은 더 높았다. 채호정 박사팀은 지난 2022년 또 다른 비귀금속인 니켈을 이용한 암모니아 분해 촉매를 만들었는데, 당시 촉매가 450°C에서 암모니아 전환율 45%를 보였던 결과에 비해 매우 개선된 것이다.

◯ 또한 550°C의 온도에서 장시간 연속 운전 후에도 촉매의 구조적 변화가 거의 없었으며, 수소 생산 효율도 유지되는 안정성을 보였다.

□ 연구팀은 향후 추가 연구를 통해 촉매의 저온 수소 생산 성능을 향상하고, 최적화 과정을 거쳐 2030년경 상용화를 목표로 하고 있다.

◯ 연구진은 “개발된 촉매는 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등에서 활용될 수 있으며, 특히 암모니아를 수소 저장체로 활용하는 시스템에 적용할 수 있다.”고 밝혔고, 화학연 이영국 원장은 “친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기고, 재생 가능한 에너지 기반의 지속 가능한 수소 경제 구축에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

◯ 이번 논문은 2024년 11월 국제 학술지 ‘화학 공학(Chemical Engineering Journal(IF: 13.3))’에 게재되었다. 화학연 채호정 박사가 교신저자로, 이수언 박사가 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 산업통상자원부 “신재생에너지핵심기술개발사업”의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문 주요 사항

2024.11.15. 논문 (온라인 2024.10.22, 출판 2024.11.15)

◦저널명 : Chemical Engineering Journal(IF=13.3) ◦논문명(영문):CeO2-conjugated CoFe layered double oxides as efficient non-noble metal catalysts for NH3-decomposition enabling carbon-free hydrogen production ◦논문명(국문):무탄소 수소 생산을 가능하게 하는 암모니아 분해를 위한 효율적인 비귀금속 촉매로서의 CeO₂ 결합 CoFe 층상 이중 산화물 ◦저자 정보 : 채호정(교신저자, 화학연), 이수언(1저자, 화학연), LE THIEN AN(공동저자, 화학연), 김영민(공동저자, 화학연), 이유진(공동저자, 화학연), 김정랑(공동저자, 화학연), 김태완(공동저자, 화학연), 정광은(공동저자, 화학연) ◦DOI : https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156986

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		- (기존) 2050 탄소중립 달성을 위한 수소에너지로 전환 과정에서, 단위 부피당 높은 수소 저장밀도(액화수소 대비 1.7배)의 암모니아를 활용한 수소 저장-운송-생산 관련 기술의 요구가 급증하고 있음. - 현재 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 촉매로 귀금속인 루테늄(Ru)이 가장 높은 활성을 보이나, 여전히 저온에서 낮은 분해 효율이 한계점으로 지적됨. 암모니아를 활용한 수소 생산기술의 상용화를 위해, 저온에서도 높은 분해 효율과 경제성있는 전이금속 촉매 개발이 필요함. - (개선) 전이금속 기반 코발트-철(CoFe) 층상 이중 산화물 물질에 산화세륨을 결합한 형태의 촉매를 설계하여, 암모니아 분해 반응의 걸림돌(속도결정단계)인 질소의 재결합과 탈착 과정을 촉진하여 저온에서도 효율적인 암모니아 분해 효율을 달성함. - 코발트-철 층상 이중 산화물 기반 촉매에 산화세륨을 결합한 결과, 450°C에서 암모니아 분해 촉매 성능 8.1배 향상됨. - 이는 코발트-철 촉매 공정(500°C)과 루테늄(Ru) 촉매 공정 (450°C) 간 공정 온도 50°C 성능 차이를 좁히는 성과를 얻었으며, 그린수소 생산 비용 절감이 기대됨. - 특히, 산화세륨에 따른 이중 산화물 물질의 구조적/전자적 특성 변화 및 촉매 활성 향상 메커니즘에 관련한 연구 결과는 타분야 촉의 촉매설계 및 성능 향상 연구에도 적용할 수 있음.
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 암모니아로부터 수소 생산(기존 코발트-철 촉매 공정 대비, 50°C 가량 낮은 500°C에서 100 % 수소 생산 가능)
실용화를 위한 과제는?		벤치 규모 암모니아 분해 스케일업 요소기술 개발 과제(촉매 대용량 제조 기술, 촉매 성형 기술, 통합공정 기술 등) 암모니아 분해 설비 구축 및 경제성 평가
실용화 가능 시기는?		- 현재는 연구실 규모의 연구개발 초기 단계로서, 2030년 이후 실용화 예상
산업적, 경제적 파급효과는?		- 암모니아 기반 대형 수소 생산 플랜트, 수소 발전, 수소 스테이션과 선박 분야 등 다양한 연계산업 공정개발 - 암모니아 기반 수소 생산기술의 상업적 경쟁력 확보

(참고) 연구 내용 관련 상세 참고 자료

□ 관련 기술 분야 용어 설명

◯ 층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxide, LDH) : 두 종류 이상의 금속 이온(M2+/M3+)이 서로 다른 산화 상태로 존재하며, 수산화 이온(OH⁻)과 결합하여 층상 구조를 이루는 화합물. 이 층 사이에는 음이온이 위치해 전하 균형을 이루며, 이런 구조적 특성 덕분에 화학적 안정성·이온 교환 능력·높은 표면적 등의 장점 있음. 촉매, 흡착제(환경 정화, 염료 제거 등) 및 다양한 화학적 응용 분야에서 사용됨.

◯ 층상 이중 산화물(Layered Double Oxide, LDO) : 두 종류 이상의 금속 이온이 산화물을 형성하며 층상으로 배열된 화합물로서, 층상 이중 수산화물의 열적 산화 단계를 통해 형성될 수 있음. 층상 이중 산화물 또한 높은 표면적, 열적 안정성, 전도성 등의 특성이 있어, 주로 촉매, 전극 재료, 자기광학 장치 등 다양한 분야에 활용됨.

◯ 세륨 산화물의 독특한 산화-환원 특성(Ce³⁺/Ce4⁺ 전환) : 세륨 산화물 (CeO2)은 Ce³⁺ ↔ Ce4⁺ 변환이 자유롭게 일어난다.(Ce³⁺ : 환원 상태, 산소(O2)를 방출하고 전자를 받아들인 상태 / Ce4⁺ : 산화 상태, 산소를 얻어 전자를 잃은 상태) 이런 특성은 촉매 성능을 높이는데 기여한다. 우선 전자의 이동을 원활하게 하여 촉매 반응이 잘 일어나게 한다. Ce³⁺ ↔ Ce4⁺ 변환 과정에서 전자를 주고 받는 "전자 중계자(전달자)" 역할을 하며 암모니아(NH3) 분해 반응이 더 쉽게 일어나는 것이다. 또한 촉매 표면에서 산소를 주고받으며, 촉매 성능을 장기간 유지한다. 즉 촉매 표면에 산소가 부족해지면 세륨 산화물은 Ce4⁺ → Ce³⁺로 변하며 산소를 내놓아 촉매 구조를 안정적으로 유지하고, 반대로 산소가 너무 많으면 Ce³⁺ → Ce4⁺로 바뀌며 산소를 흡수해 균형을 맞춘다.

◯ 질소 재결합-탈착 : 암모니아 분해 반응은 암모니아(NH3)가 질소(N2)와 수소(H2)로 분해되는 현상임. 질소 재결합-탈착은 암모니아로부터 해리된 질소 원자가 촉매 표면에서 다시 결합하여 질소 분자 형태로 탈착되는 단계를 의미함. 일반적으로 암모니아 분해 반응의 전체 반응속도를 결정짓는 중요한 단계로, 촉매의 효율성에 크게 의존함.

□ 글로벌/국내 동향, 시장 규모 등

◯ 암모니아 분해 기술 관련 세계 시장 규모 : 암모니아 분해 기술의 세계 시장 규모는 2023년 약 680만 달러로 평가되며, 연평균 성장률(CAGR) 23.2%로 성장하여 2030년 약 1,360만 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.* 이러한 성장 전망은 친환경 수소 생산에 대한 수요 증가와 암모니아를 활용한 수소 저장 및 운송 기술의 발전에 기인하며, 다양한 산업 분야에서 중요성이 커지고 있음을 보여준다.

* (출처) Verified market reports(2024.12), 글로벌 암모니아 크래킹 촉매 시장 지역별 예측

◯ 국내 동향 : 한국에너지기술연구원(KIER)은 2023년 11월 세륨(Ce)을 도입하여 루테늄 사용량을 절반으로 줄이면서 암모니아 분해에 최적화된 저비용·고활성 촉매를 개발하였고*, 2024년 2월 국내 최초로 암모니아 추출 수소를 이용한 1kW급 연료전지 시스템 실증에 성공하였다.**

* (출처) 오마이뉴스,

** (출처) 월간수소경제,

한편, 한국과학기술연구원(KIST)은 2020년 12월 루테늄 나노금속 입자가 제올라이트 지지체에 담긴 촉매를 개발하여 기존 대비 루테늄 사용량을 60% 절감하는 성과를 발표하였다.*

* (출처) 기계신문,

한국화학연구원은 2021년 1월 세계 최고 성능 수준의 루테늄(Ru) 담지 복합산화물 촉매(Ru/LaCeOx)를 개발하였으며*, 2022년 4월 저온 암모니아 분해용 비귀금속 니켈(Ni) 담지 복합 산화물 촉매(Ni/AlCeOx)를 개발하였다.** 이러한 연구는 한국화학연구원의 '기본사업' 및 산업자원통상부의 '산업기술알키미스트프로젝트', '신재생에너지핵심기술개발' 사업의 지원을 받은 결과로, 지속적으로 저온 암모니아 분해 촉매 및 반응기 기술을 발전시키고 있다.

* (출처) 헬로디디,

** (출처) 뉴스1,

◯ 국외 동향 : 신재생에너지가 풍부한 호주는 호주 연방과학원(CSIRO)을 중심으로 암모니아 기반 수소 저장/운송기술로 수소 보급 실증 연구를 추진하고 있으며, 2018년 세계 최초로 암모니아에서 분리한 수소를 수소전기차의 연료로 주입하는 데 성공하며 암모니아를 수소 운송 매개체로 활용하는 기술의 가능성을 입증하였다. 최근 고려아연과 고려아연의 호주 자회사인 아크 에너지(Ark Energy)는 한화임팩트, SK가스와 함께 '한∙호 컨소시엄'을 결성하여 2030년까지 호주로부터 연간 100만톤 이상의 그린 암모니아를 한국으로 수출하는 사업에 대한 공동 검토를 목표하고 있다.* 최근 아모지(AMOGY)는 세계 최초로 무탄소 암모니아 전력 솔루션을 적용한 실증 선박‘NH3 크라켄’의 첫 항해를 성공하며(2024년 9월), 암모니아 분해 기술의 활용이 수소 생산 및 저장, 운송기술 뿐만 아니라 선박이나 모빌리티 분야로 확장될 수 있음을 보여주었다.

* (출처) 월간수소경제,

□ 기존 기술 한계 및 개발 현황 등

◯ 전세계적으로 2050 탄소중립 달성을 하기 위한 방안으로 수소에너지로 전환에 힘쓰고 있다. 하지만 수소의 낮은 부피당 에너지 저장 밀도 및 가연성 때문에, 안전하게 수소를 저장/이송할 수 있는 효율적이고 경제적인 수소 캐리어가 필요하다. 그 대안으로 탄소를 포함하지 않는, 단위 부피당 높은 수소 저장밀도(액화수소 대비 1.7배)의 암모니아를 활용한 수소 저장-운송-생산 관련 기술의 요구가 급증하고 있다.

◯ 암모니아로부터 수소를 추출하려면 높은 온도에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 화학반응이 필요하다. 이는 암모니아 기반 수소 생산 기술의 상용화 과정에서 고에너지 소비로 인한 에너지 효율 저하, 수소 단가 상승을 초래할 수 있다.

◯ 암모니아 분해율을 높이기 위해서, 일반적으로 암모니아 분해 반응의 걸림돌(속도결정단계) 단계인 질소의 재결합과 탈착 과정을 촉진할 수 있는 촉매 소재의 개발이 중요하다.

◯ 현재 암모니아 분해를 통해 수소를 생산하는 촉매로 귀금속인 루테늄(Ru)이 가장 높은 활성을 보이나, 여전히 저온에서 낮은 분해 효율이 암모니아 분해 기술 활용의 한계점으로 지적된다. 비용 절감 면에서 이점이 있는, 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo) 등의 비귀금속 촉매 소재를 나노구조화, 복합 소재 형성 및 지지체와 조촉매의 효과를 도입하는 전략을 통해 높은 활성을 갖는 효율적인 저온 암모니아 분해 촉매 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 비귀금속 저온 촉매 개발은 수소 발전이나 화학산업 플랜트, 나아가 선박이나 모빌리티까지 확장이 가능하지만, 여전히 경제적이고 고효율의 저온 암모니아 촉매 소재 기술의 한계가 있다.

□ 개발 기술 상세 설명

◯ 채호정 박사 연구팀은 저온에서 우수한 암모니아 분해 효율을 보이는 경제적인 촉매로써 비귀금속 코발트-철(CoFe) 기반 층상 이중산화물(LDO)에 세륨 산화물(CeO2)을 도입한 소재를 설계하였다. 이 소재의 제조 방법은 세륨 이온, 코발트 이온, 철 이온을 염기성 용액에서 함께 반응시켜 층상 이중수산화물(LDH)를 형성한 후, 이를 550℃에서 층상 이중산화물(LDO)로 전환하는 간편한 제조 기술을 개발하였다. 이 소재는 나노판상(nanosheet) 구조의 CoFe 기반 LDO 나노입자에 팔면체(octahedral) 형태의 CeO2 입자가 결합된 구조로 구성되어 있어, 구조적 변화 및 전자 이동에 따른 화학적 특성이 변화하여 촉매 성능을 개선할 수 있었다.

◯ 우선 연구팀은 암모니아 분해 반응에서 낮은 분해 효율을 개선하기 위해, 반응 속도가 가장 느린 단계인 질소 재결합-탈착 과정을 촉진할 수 있는 효율적인 촉매 개발이 중요하다고 판단하였다. 이를 위해 촉매와 질소 간의 결합세기가 중요한 요소로 작용하는데, 루테늄(Ru)이 가장 질소와의 결합 세기가 적절하여 단일 성분으로는 뛰어난 촉매 성능을 나타낸다. 그러나 루테늄은 가격이 비싸 상업적 활용에 제약이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 비귀금속 소재 중 CoFe 조합이 Ru과 유사한 질소와의 결합 세기를 가질 수 있어, 이 조합을 기반으로 한 이종 금속의 분포 및 넓은 표면적의 이점을 가지는 CoFe 기반 LDO 소재를 설계하였다. 또한, CeO2를 도입하여 독특한 산화-환원 특성(Ce³⁺/Ce4⁺ 전환)에 따른 촉매의 전자 구조 특성을 제어하여 최적의 촉매 성능을 가질 수 있도록 하였다.

◯ 제조된 촉매 소재는 CeO2의 도입을 통해 LDO 구조 내에서 코발트와 철의 균일한 분포를 가능하게 하였고, 이로 인한 구조적 변화와 함께 CeO2 도입량에 따른 CoFe 기반 LDO의 전자적 특성 변화도 확인할 수 있었다. 이러한 특성 변화는 금속 촉매의 응집 현상을 방지하고, 촉매 표면에서의 질소 흡착 세기 정밀하게 제어할 수 있게 해주어 최적화된 촉매 조건을 도출하는데 기여하였다. 이러한 연구 결과는 암모니아 분해 반응에 국한되지 않고, 타분야 촉의 촉매설계 및 성능 향상을 위한 참고 자료가 될 것이다.

◯ CoFe 기반 LDO 촉매에 CeO2을 결합한 결과, 기존 CoFe 기반 LDO 촉매에 비해 450°C에서 암모니아 분해 촉매 성능이 최대 8.1배 향상되었다. 이 성과는 Ru 촉매와의 성능 차이를 공정 온도 50°C로 좁히는 결과를 가져왔으며, 이는 그린수소 생산 비용 절감에도 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 또한 550°C의 온도에서 80시간 연속 운전 시에도 촉매의 구조적 변화가 없었고, 성능 저하도 거의 없는 안정성을 보였다.

연구 관련 이미지 및 사진

□ [그림 1] 세륨 산화물 도입에 따른 비귀금속 CoFe 기반 층상 이중산화물 소재 암모니아 분해 성능 개선

□ [그림 2] 개발 촉매와 기존 촉매과의 암모니아 분해 성능 비교

□ [그림 3] 주요 논문 기여자(오른쪽부터 이유진 연구원(공동저자), 채호정 책임연구원(교신저자), 이수언 연구원(제1저자), Le Thien An 박사후연구원(공동저자), 김영민 선임연구원(공동저자))

□ [그림 4] Le Thien An 박사후연구원이 암모니아 분해 반응기에 촉매가 담긴 시험관을 결합시키고 있다

□ [그림 5] 이유진 연구원이 암모니아 분해 반응기를 조작하고 있다

□ [그림 6] 이수언 연구원이 이번에 개발한 비귀금속 기반 촉매 샘플을 보여주고 있다

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 이수언
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터
○ 전 화 : 042-860-7525
○ 이메일 : sulee@krict.re.kr

2. 학력

○ 2006 – 2011 숙명여자대학교 화학과 학사

○ 2011 – 2016 한국과학기술원(KAIST) 화학과 박사

3. 경력사항

○ 2016 한국과학기술원(KAIST) 연수연구원

○ 2016 - 2018 한국화학연구원 박사후연구원

○ 2018 – 현재 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터 연구원

4. 전문 분야 정보

○ 저온 암모니아 수소 전환용 분해 촉매 소재

○ 저온·저압 암모니아 합성 촉매 및 반응 메커니즘

○ 저활용 탄소원으로부터 고부가 화합물 전환용 불균일계 촉매 소재

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 채호정
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터
○ 전 화 : 042-860-7290
○ 이메일 : hjchae@krict.re.kr

2. 학력

○ 1990 – 1995 경희대학교 화학공학과 학사

○ 1995 – 1997 포항공과대학교 화학공학과 석사

○ 1997 – 2001 포항공과대학교 화학공학과 박사

3. 경력사항

○ 2001 - 2006 삼성정밀화학 제품개발연구소 책임연구원

○ 2006 - 2007 LG화학 석유화학연구소 차장

○ 2007 – 현재 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터 책임연구원

4. 전문 분야 정보

○ 화학적 수소 생산 저장

○ C1가스 및 온실가스 전환

○ 온실가스 및 미세먼지 저감 기술

○ 바이오연료 합성