지스트, 가축분뇨 폐암모니아로 순도 100% 수소 생산 성공

내 매년 2000만톤 이상 배출되는 폐암모니아를 친환경 전기화학 완전분해 공정을 통해 청정 수소 생산 개념도.(지스트 제공) 2015.11.26© News1

(광주=뉴스1) 김한식 기자 = 지스트(GIST·광주과학기술원·총장 문승형)는 환경공학부 이재영 교수팀이 친환경 전기화학 분해법으로 폐(廢)암모니아를 분해해 순도 100%의 수소를 생산하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

이번 성과는 폐암모니아를 수소로 재자원화하는 연구로써 신재생에너지의 새로운 패러다임을 연 것으로 평가된다.

연구팀에 따르면 가축 분뇨나 생활 폐수에서 나오는 폐암모니아(국내에서 연간 2000만 톤 이상 배출)는 현재 염산 등을 이용하는 생물학적·화학적 방법으로 처리되고 있다. 이는 화학약품에 의한 2차 오염을 유발하고 처리 비용이 비싸다는 단점을 지닌다.

이 때문에 폐암모니아를 친환경적으로 완전히 분해하고 부산물로서 수소를 얻을 수 있는 전기화학 분해 공정에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히 수소연료전지 자동차와 제철 및 화학공정에 필요한 청정 수소를 생산하는 기술이라는 점에서 폐암모니아를 친환경적으로 처리할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 전기도금법으로 백금촉매를 제조한 뒤 이를 암모니아 전기화학적 분해 공정에 사용해 청정 수소를 생산하는데 성공했다.

전극-막 일체형 반응기(zero-gap cell)를 이용해 폐암모니아 산화·분해로 발생하는 질소와 수소를 추가적인 가스 분리공정이 없이 효과적으로 분리했고 불순물이 포함되지 않은 순도 100%의 수소를 얻었다. 또 수소를 얻기 위한 생성 패러데이 효율은 80% 이상임을 확인했다.

패러데이 효율은 암모니아를 전기화학적으로 분해하기 위해 가해주는 전류를 이론적으로 계산했을 때 발생할 것으로 예상한 수소의 양과 실제 실험을 통해 측정된 수소 양의 비율(%)을 말한다.

일반적으로 청정 수소를 얻기 위해 물을 전기분해하는 과정은 많은 전기 에너지를 필요로 하다. 하지만 연구팀의 폐암모니아 전기화학 분해법은 물 전기분해와 비교했을 때 3배 낮은 전력이 소모돼 적은 전력과 비용으로 청정 수소를 생산할 수 있다는 장점이 있다.

이재영 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)는 "이번 성과는 친환경적인 방법으로 폐암모니아 재자원화의 가능성을 확인했다는 점에서 의의가 있다"며 "이 연구가 산업화되어 폐암모니아를 이용한 100% 수소 치환을 가정할 경우 우리나라 연간 전력소비량의 12.6%를 충당할 수 있는 수소 에너지원을 생산하는 것과 같다"고 말했다.

이 교수가 주도하고 에틀(Ertl) 촉매 연구센터 곽지은 연구원(제1저자)이 수행한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 일반연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 화학·에너지 분야의 세계적인 학술지 켐서스켐(ChemSusChem) 11월 4일자 온라인판에 게재됐다.

이재영 지스트 교수© News1

곽지은 지스트 연구원© News1

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