 ▲ 효율성을 극대화한 수소 저장 및 운송 기술을 개발한 한국화학연구원 김상준 박사 연구팀(오른쪽부터 김상준 선임연구원, 강동권 학생연구원) (C) 정지완 기자 |
한국화학연구원은 국내 연구진이 전기화를 통해 우수한 수소 추출 효율 및 반응 속도까지 확보한 수소 경제 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.
화학 김상준·박지훈 박사, 서울대학교 한정우 교수 공동연구팀은 화석연료 대신 전기로 촉매를 직접 가열하는 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템(ECIHS)*’을 도입했다. 이를 통해 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 대폭 향상시키는 수소 저장·운송 기술을 개발했다.
* ECIHS: Electrified Catalytic Inductive Heating System
글로벌 탄소중립 기조에 따라 친환경 에너지 사용 기술 개발이 시급한 가운데, 수소 에너지는 청정한 에너지원으로 주목받고 있다. 특히 정부가 발표한 '12대 국가전략기술' 중 하나로 포함되며, 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.
하지만 수소는 부피가 크고 폭발 위험이 높아 안전하고 효율적인 저장·운반 기술이 반드시 필요하다. 이를 해결하는 ‘액상 유기물 수소 운반체*(LOHC)’ 기술은 수소를 액체 상태로 상온·상압에서 안전하게 저장 및 운반할 수 있다. 또한, 기존 유조차를 활용해 운송 가능하여 추가 인프라 비용을 절감할 수 있는 큰 장점이 있다.
* LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carrier
그러나 기존 LOHC 수소 추출 방식은 외부에서 반응기를 가열하는 방식을 주로 사용해, 에너지 소모가 크고 반응 속도가 느리며 부수 반응이 발생하는 등의 문제를 해결하여 수소 추출 효율을 더욱 향상시키는 연구가 필요하다.
특히 기존의 LOHC 수소 추출 방식이 액체 상태인 반응물(LOHC)과 고체 상태의 촉매, 그리고 기체 상태의 생성물인 수소가 섞이는 복잡한 환경에서, 불가피하게 외부에서 촉매를 직접 가열할 수밖에 없었다.
이를 개선하기 위해 연구팀은 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템’ 방식을 도입했다. 전기로 촉매를 직접 가열하여 기존 기술 대비 월등히 빠른 반응 속도와 수소 추출 효율, 안정성 등을 확보하였다.
전자기파를 이용해 촉매 자체에서 열을 발생시키는 이 방법은, 반응 용액 전체를 가열하지 않고 필요한 부분만 빠르게 가열하여 에너지 손실을 줄이고 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
이를 위해 연구팀은 전자기파에 의해 효율적으로 발열되는 특수한 소재인 ‘티타늄 실리콘 카바이드*’를 벌집 모양의 촉매 지지체로 활용하여 열 전달 효율을 높였다. 또한 촉매의 반응 성능을 높이기 위해 백금(Pt)에 황(S)을 첨가한 촉매를 사용하여, 적은 발열 에너지로도 효율적인 수소 추출이 가능하도록 했다.
* Titanium Silicon Carbide(Ti3SiC2) : 금속과 세라믹의 성질을 동시에 가진 독특한 소재로, 촉매 반응에서 열을 효과적으로 전달하는 특성을 가짐.
그 결과, LOHC 물질에서 수소를 추출하는 과정에서 기존 외부가열 방식 대비 16.4배 빠른 반응 속도와 2배 이상의 높은 수소 추출 효율을 달성하였다. 또한, 200시간 이상 안정적인 수소 생산을 통해 장기적인 안정성도 입증하였다.
연구팀은 모형 수소차 실험을 통해 3초 내에 수소 발생, 11.34초 만에 수소차 운행이 가능함을 확인했다. 이를 통해 온보드(On-Board) 수소 모빌리티로의 직접 적용 가능성을 입증했다.
화학연 김상준 박사는 “이번 성과는 액상 촉매 반응의 비효율성을 극복하고 수소 경제 핵심 기술로 자리잡을 가능성을 보여준다”면서, “향후 지속적인 연구를 통해 수소 기술 상용화를 추진하겠다”고 밝혔다.
이번 연구는 에너지 분야의 권위지인 '줄(Joule, IF: 38.6)' 8월 호에 게재되었으며, 한국화학연구원 자체사업인 K-solution R&D 사업의 지원을 받아 수행되었다.
*아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다. '구글번역'은 이해도를 높이기를 위해 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*The following is [the full text] of the English article translated by 'Google Translate'. 'Google Translate' is working hard to improve understanding. It is assumed that there may be errors in the English translation.>
The Korea Research Institute of Chemical Technology announced that domestic researchers have developed a core technology for the hydrogen economy that has secured excellent hydrogen extraction efficiency and reaction speed through electrification.
The joint research team of Dr. Sang-Jun Kim and Dr. Ji-Hoon Park of Chemistry and Professor Jeong-Woo Han of Seoul National University introduced the ‘Electromagnetic Induction Catalytic Heating System (ECIHS)*’ that directly heats the catalyst with electricity instead of fossil fuels. Through this, they developed a hydrogen storage and transportation technology that significantly improves the catalytic reaction speed and hydrogen extraction efficiency.
* ECIHS: Electrified Catalytic Inductive Heating System
Amid the global carbon neutrality trend, the development of eco-friendly energy use technology is urgent, and hydrogen energy is receiving attention as a clean energy source. In particular, its importance is being highlighted even more as it is included as one of the ‘12 National Strategic Technologies’ announced by the government.
However, hydrogen is bulky and has a high risk of explosion, so safe and efficient storage and transportation technology is absolutely necessary. The ‘Liquid Organic Hydrogen Carrier* (LOHC)’ technology that solves this problem can safely store and transport hydrogen in a liquid state at room temperature and pressure. In addition, it has the great advantage of being able to reduce additional infrastructure costs by utilizing existing tankers for transportation.
* LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carrier
However, the existing LOHC hydrogen extraction method mainly uses a method of heating the reactor externally, so research is needed to further improve the hydrogen extraction efficiency by solving problems such as high energy consumption, slow reaction speed, and side reactions.
In particular, the existing LOHC hydrogen extraction method had to directly heat the catalyst externally in a complex environment where the liquid reactant (LOHC), solid catalyst, and gaseous product hydrogen were mixed.
To improve this, the research team introduced the ‘electromagnetic induction catalyst heating system’ method. By directly heating the catalyst with electricity, it secured a much faster reaction speed, hydrogen extraction efficiency, and stability compared to existing technologies.
This method, which generates heat from the catalyst itself using electromagnetic waves, can reduce energy loss and improve the reaction speed by quickly heating only the necessary part without heating the entire reaction solution.
To this end, the research team used ‘titanium silicon carbide*’, a special material that efficiently generates heat by electromagnetic waves, as a honeycomb-shaped catalyst support to increase heat transfer efficiency. In addition, to enhance the reaction performance of the catalyst, a catalyst with sulfur (S) added to platinum (Pt) was used to enable efficient hydrogen extraction with less heat generation energy.
* Titanium Silicon Carbide (Ti3SiC2): A unique material that possesses both metal and ceramic properties, and has the characteristic of effectively transferring heat in catalytic reactions.
As a result, in the process of extracting hydrogen from LOHC materials, a reaction speed 16.4 times faster and hydrogen extraction efficiency more than twice as high were achieved compared to the existing external heating method. In addition, long-term stability was demonstrated through stable hydrogen production for more than 200 hours.
Through a model hydrogen car experiment, the research team confirmed that hydrogen was generated within 3 seconds and hydrogen car operation was possible in 11.34 seconds. Through this, the possibility of direct application to on-board hydrogen mobility was proven.
Dr. Sang-Jun Kim of the Korea Research Institute of Chemical Technology said, “This achievement shows the possibility of overcoming the inefficiency of liquid-phase catalytic reactions and establishing itself as a core technology of the hydrogen economy,” and added, “We will continue to pursue commercialization of hydrogen technology through continued research in the future.”
This study was published in the August issue of Joule (IF: 38.6), an authoritative journal in the energy field, and was conducted with the support of the K-solution R&D project, an in-house project of the Korea Research Institute of Chemical Technology.
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