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한양대학교 화학공학과 서영웅 교수 연구팀이 암모니아를 이용한 친환경 수소 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있는 ‘달걀껍질(Egg-shell) 구조 루테늄 촉매’를 개발했다. 이번 연구는 울산과학기술원(UNIST), 충북대학교, 퓨어스피어(PureSphere)와의 공동 연구로 수행됐다. 

수소는 높은 에너지 밀도와 탄소 배출이 없는 특성으로 차세대 에너지원으로 주목받고 있지만, 낮은 저장 밀도와 운송 비용 문제로 대규모 활용에 어려움이 있다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나가 암모니아를 수소 저장 매체로 활용하는 기술이다. 암모니아는 높은 수소 저장 용량과 기존 산업 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있어 차세대 수소 운반체로 평가받고 있다. 

연구팀은 산업 공정에서 사용되는 구형 알루미나 펠렛 촉매에 루테늄(Ru)과 포타슘(K)을 도입해, 촉매 활성 금속이 펠렛 표면 근처에 집중되는 ‘Egg-shell 구조 촉매’를 구현했다. 이러한 구조는 반응 물질이 촉매 내부까지 확산되는 과정에서 발생하는 확산 제한 문제를 줄여 반응 효율을 높이는 장점을 가진다. 

특히 연구팀은 포타슘 함량을 정밀하게 조절해 루테늄 입자의 분산도와 전자 구조를 최적화했으며, 그 결과 5.2 wt.% 포타슘을 포함한 촉매가 가장 우수한 성능을 보였다. 해당 촉매는 516 °C 조건에서 암모니아를 완전히 분해해 수소를 생산했으며, 100시간 이상 안정적으로 작동하는 높은 내구성을 나타냈다. 

연구팀은 이러한 성능 향상의 원인이 루테늄 표면 전자 밀도 증가와 촉매 표면에서의 질소·수소 종의 반응 균형 최적화에 있다고 설명했다. 또한 촉매 내부 확산과 표면 전자 구조가 동시에 작용하는 ‘수송-전자 결합 반응 메커니즘’이 촉매 성능 향상의 핵심임을 규명했다. 

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지『Chemical Engineering Journal』에 게재됐다. 해당 논문 「Egg-shell Ru catalysts on K-added Al₂O₃ spherical pellet toward industrial ammonia decomposition」에는 한양대 김동언 박사과정생이 제1저자로, 서영웅 교수와 김태완 박사가 교신저자로 참여했다.