기술 청정수소 품은 암모니아, 신개념 촉매로 3배 더 쉽게 분해

에너지연, 기존 촉매 대비 활성화 에너지 20%↓, 수소 생성률 1.7배 ↑ ▲ 연구진이 개발한 기술로 촉매합성 실험을 하고 있는 모습. [에너지신문] 한국에너지기술연구원(원장 이창근) 수소연구단 구기영 박사 연구진이 기존보다 경제성이 향상된 신개념 암모니아 분해 촉매 합성법을 개발했다.  이를 활용하면 암모니아에서 수소를 더 효율적으로 분해할 수 있어 수소 경제 실현에 크게 기여할 것으로 기대된다. 3개의 수소 원자와 1개의 질소 원자로 구성된 암모니아는 수소 함량이 높아 장거리 운송과 대용량 저장이 가능한 수소 운반체로 주목받고 있다.  이미 전 세계적으로 운반, 저장 인프라가 갖춰져 있어 다른 수소 운반체에 비해 경제적으로 수소를 운반할 수 있다.  하지만 수요지에서 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 기술은 아직 초기 개발 단계에 머물러 있다. 이 기술의 핵심은 루테늄(Ru) 촉매다.  루테늄을 사용하면 다른 촉매보다 100도 이상 낮은 500도~600도의 온도 조건에서도 암모니아를 빠르게 분해할 수 있다.  문제는 루테늄이 소수의 국가에만 존재하는 매우 희귀한 금속이라 구하기 어렵다는 점이다.  현재까지는 적은 양으로도 성능을 내기 위해 크기를 나노 수준으로 줄여 활용하고 있다.  하지만 나노 촉매는 대량 생산 공정이 복잡하고 제조 비용도 높아 암모니아 분해 기술의 상용화를 저해하고 있다. 이에 연구진은 촉매의 경제성을 개선할 수 있는 폴리올 공정 기반의 신개념 루테늄 촉매 합성법을 개발했다.  이를 통해 생산한 촉매는 기존 촉매에 비해 3배 이상 높은 암모니아 분해 성능을 나타냈다. 연구진이 적용한 폴리올 공정은 주로 금속을 나노 입자로 합성하는 데 쓰이는 공정이다.  기존 공정에서는 입자끼리 뭉치는 현상을 막기 위해 안정화제를 넣는데 이로 인해 공정이 복잡해지고 비용도 증가한다는 단점이 있었다.  이에 연구진은 안정화제를 사용하지 않고도 나노 입자의 응집을 제어하는 방법을 고안했다.  폴리올이란 여러 개의 –OH(하이드록시기)를 가진 알코올 종류의 끈적하고 점성이 있는 액체로 금속을 나노입자로 환원시키는 공정에 자주 사용된다. 대표적으로 에틸렌글리콜, 글리세롤, 부틸렌글리콜 등이 있다.  연구진은 탄소사슬이라 불리는 유기 분자의 길이가 입자의 응집 정도에 영향을 준다는 점에 주목했다.  탄소사슬의 구조와 길이를 조절하면 첨가제 없이도 나노 입자의 응집을 효과적으로 억제할 수 있다고 본 것이다. 탄소사슬이란 탄소 원자들이 서로 연결된 구조로 물질에 포함된 탄소원자의 개수에 따라 길이가 달라진다.  연구진은 실험을 통해 탄소사슬 길이가 긴 부틸렌글리콜을 활용하면 안정화제 없이도 2.5나노미터(nm) 크기의 루테늄 입자가 균일하게 분산되고 수소 생성 반응이 일어나는 ‘B5 사이트’가 형성된다는 것을 확인했다. B5 사이트는 3개의 루테늄 원자가 계단형 표면에 위치하고 그 위에 2개의 원자가 테라스 모서리에 있는 형태로 높은 반응성을 유도한다.   이를 통해 생성된 촉매는 기존 촉매의 성능을 크게 웃돌았다.  부틸렌글리콜을 사용하지 않은 기존 루테늄 촉매와 비교했을 때 활성화 에너지는 약 20% 낮아졌고 수소 생성률**은 1.7배 증가했다.  또한 단위 부피당 암모니아 분해 반응 성능을 비교한 결과 기존 합성법으로 만든 촉매보다 3배 이상 높은 것으로 나타나 뛰어난 경제성을 보였다. 연구책임자인 구기영 박사는 “이번에 개발된 암모니아 분해 촉매 합성 기술은 기존 나노촉매 대량 제조의 한계와 비용 문제를 해결할 수 있는 실용적인 기술로 암모니아 분해 촉매 기술 국산화와 실용화에 기여할 수 있을 것”이라며 “앞으로 펠릿 촉매 양산과 다양한 암모니아 크래킹 시스템 적용을 통해 성능 검증을 진행할 계획”이라고 밝혔다. 이번 성과는 나노분야 저명 학술지 ‘스몰(Small, IF 12.1)’의 표지논문으로 게재됐으며 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 

에너지신문 2025.07.03

산업 일본, 액화이산화탄소와 메탄올 겸용 운반선 세계 첫 도입

일본이 해양 탄소 순환경제의 신기원을 열고 있다. 액화이산화탄소(LCO2)와 합성 메탄올을 동시에 운송할 수 있는 세계 최초의 이중 운반선을 도입하며, 저탄소 해운 시대를 향한 새로운 전환점을 마련했다. 됴쿄 소재 글로벌 해운사 미쓰이OSK라인(MOL)과 미쓰비시조선은 공동 개발한 액화이산화탄소(LCO2)ㆍ메탄올 이중 운반선이 일본 선급(ClassNK)으로부터 기본승인(AiP)을 받았다고 지난달 30일(현지시각) 발표했다. 이산화탄소와 메탄올을 동시에 운반할 수 있는 선박에 대한 기본승인은 전 세계에서 처음이다. 액화이산화탄소와 메탄올 이중 운반… 복귀 항차 공차 문제 해소카본 헤럴드에 따르면, 해당 선박은 저압형 액화이산화탄소(LCO2) 운반선 설계를 기반으로 하되, 귀항 시 메탄올 운송이 가등하도록 설계된 복합 구조다. 이산화탄소는 해외로 운송되고, 포집된 이산화탄소로 생산된 합성 메탄올은 다시 귀항 때 실어오는 방식이다.전통적인 화물선은 복귀 항차에서 ‘공차(空車)’ 상태로 돌아오는 일이 잦아 물류 효율성이 떨어진다는 지적이 많았지만, 이 신형 선박은 이를 완전히 해소한다. 양방향 모두 유효 화물을 운송함으로써, 운송 단가 절감, 연료 효율성 개선, 온실가스 감축을 동시에 달성할 수 있게 된 것이다. MOL은 “수송 효율과 탄소 배출 감축을 동시에 실현하는 해상 물류의 새로운 기준을 제시할 수 있다”고 평가했다. 이번 프로젝트는 일본 정부의 2050 탄소중립 목표에 발맞춘 대형 민간 탈탄소 이니셔티브로 평가된다. 미쓰이OSK라인은 “이 선박은 CO₂를 포집한 뒤 폐기하는 기존 CCUS 구조를 넘어, 이를 ‘가치 있는 자원’으로 순환시키는 차세대 수송 모델”이라고 강조했다.MOL은 현재 북미, 남미, 호주 등지에서 합성연료 및 메탄올을 생산하는 미국 기반 기업 HIF Global LLC에 투자하고 있으며, 글로벌 CCUS 공급망을 적극적으로 확장 중이다.    해운업계 탄소순환 생태계 전환 가속화 기대한편, 이번 기본승인(AiP)는 단순한 설계 검토가 아닌, 선박 안전성, 운송 적합성, 국제 위험화학물질 해상운송 규정(IGC/IBC 코드)에 따른 검증을 모두 거쳐 얻어진 성과다. 미쓰비시조선은 이번 인증을 바탕으로 LCO₂·메탄올 이중 운반선의 상용화를 2027년까지 본격화하겠다는 입장을 밝혔다.특히 이 선박은 전통적인 메탄올 또는 CO₂ 전용 선박보다 건조 비용을 20~30% 절감할 수 있고, 동시에 국제해사기구(IMO)의 2026년 이후 탄소집약도 규제 대응 전략으로도 활용될 수 있어 글로벌 발주 수요 확대가 기대된다. 미쓰비시조선은 “조선공학과 해양공학을 융합한 차세대 플랫폼”이라며, “이번 프로젝트를 통해 아시아를 넘어 전 세계의 탄소중립 해운 산업을 선도하겠다”고 밝혔다. MOL 역시 “합성 연료 수요 확대에 선제 대응하고, 해운산업의 규제 대응을 지원하는 실질적 해법이 될 것”이라고 말했다. 

임팩트온 2025.07.03

산업 CCUS·탄소상쇄 시장, 2050년까지 수천조원 규모로 폭발적 성장...“기후 전략의 쌍두마차”

2050년까지 전 세계 탄소포집·활용·저장(CCUS) 및 탄소상쇄(Carbon Offset) 시장이 수천조 원 규모로 확대될 전망이다.에너지 리서치 기업 우드맥킨지(Wood Mackenzie)는 26일(현지시각) 발표한 장기 전망 보고서에서 “두 시장이 글로벌 넷제로 전략의 핵심 수단으로 부상하고 있다”며, “탄소상쇄는 단기간 내 감축 목표를 충족할 수 있는 유연한 수단이며, CCUS는 감축이 어려운 산업 배출을 중장기적으로 줄이는 핵심 기술”이라고 평가했다.보고서는 CCUS 시장이 2050년까지 현재보다 최대 28배 성장하며, 연간 2061메가톤(Mtpa)의 이산화탄소를 포집할 수 있을 것으로 내다봤다. 투자 규모는 약 1조2000억달러(약 1704조원)에 달하며, 주요 투자처는 시멘트·정유·제철 등 고정 배출원이 될 것으로 보인다. “공정 배출 줄일 유일한 해법”…아태 지역서 도입 가속우드맥킨지의 헤탈 간디(Hetal Gandhi) 수석 애널리스트는 “CCUS는 대체 수단이 부족한 공정 배출 부문에서 핵심적 역할을 하게 될 것”이라며 “특히 석탄화력·제철소가 밀집한 아시아·태평양 지역에서 빠르게 확산되고 있다”고 밝혔다.최근에는 기존 인프라 교체 없이 산업 현장에 손쉽게 도입 가능한 모듈형 CCS(Carbon Capture System) 기술도 잇따라 개발되고 있다. 영국 탄소포집 기술 스타트업 누아다(Nuada)는 에너지 소비를 최대 90% 줄인 모듈형 CCS 시스템 실증에 성공했다. 이 기술은 하루 1톤의 이산화탄소를 안정적으로 포집했으며, 복잡한 화학 공정 없이 산업 현장에 손쉽게 부착 가능한 형태로 개발됐다.탄소포집 기술 전문기업 카본 클린(Carbon Clean)은 협소한 부지에도 설치가 가능한 모듈형 설계 ‘사이클론CC(CycloneCC)’를 통해 기존 대비 설치 공간과 비용을 최대 50%까지 절감할 수 있는 기술을 선보였다. 간디 에널리스트는 “에너지 안보에 대한 우려가 커지면서, 생산 단계에서 탄소를 포집하는 기술이 더 빠르게 도입되고 있다”며 “연소 전에 포집하는 방식은 경제성이 높아, 전 세계적인 가스 수요를 뒷받침할 것”이라고 설명했다.블루수소 생산 역시 CCUS 수요를 견인할 주요 동력으로 제시됐다. 블루수소는 그린수소 대비 낮은 생산 비용으로 경쟁력을 확보할 수 있어, 2035년까지 빠르게 확산될 것으로 예상된다. 탄소 상쇄시장 6배 성장… CCUS·탄소상쇄 병행해 적용해야 탄소상쇄 시장도 가파른 성장세를 보이고 있다. 보고서에 따르면 2050년까지 시장 규모는 현재에 비해 5배 이상 성장해 1500억달러(약 213조원)를 넘어설 것으로 예상되며, 상쇄 물량은 향후 6배 수준으로 확대될 전망이다. 이 가운데 탄소 제거 프로젝트가 차지하는 비중은 전체의 40%를 넘어설 것으로 보인다.피터 앨빈(Peter Albin) 수석 애널리스트는 “CCUS와 탄소상쇄는 기후 전략에서 갈수록 중요한 축으로 자리잡고 있다”며 “두 시장이 맞물리면서 글로벌 탄소 가치사슬도 한층 견고해지고 있다”고 분석했다. 다만 우드맥킨지는 CCUS와 탄소상쇄 시장이 빠르게 성장하고 있음에도 불구하고, ▲인프라 부족 ▲상쇄 품질과 영속성에 대한 신뢰 문제 ▲정책 및 재정 지원의 지속성 등 구조적 과제가 여전히 남아 있다고 지적했다.특히 CCUS는 초기 투자 부담과 복잡한 운영 구조가 진입 장벽으로 작용해, 중장기적인 정부 지원 없이는 본격적인 확산이 어렵다는 분석이다.반면, 감축 기술의 고도화와 상쇄 기준의 엄격한 강화는 수요 확대 뿐 아니라 시장 신뢰 회복을 높이는 요소로 작용하고 있다. 각국 정부의 인센티브 확대와 의무 이행형 탄소가격제 도입 역시 시장 성숙도를 높이는 요인으로 분석됐다.보고서는 “시장이 성숙할수록 기업의 지속가능 전략은 보다 정교해지고, 탈탄소 전환 속도도 가속화될 것”이라며, “조기에 진입한 투자자와 기술기업에겐 상당한 기회가 될 수 있다”고 강조했다.

임팩트온 2025.06.30

기술 버려지는 당분으로 감미료·바이오소재 동시에 만드는 기술 개발

화학연, 자일로스를 자일리톨·자일론산으로 동시 전환 성공3   알리 아와드(Ali Awad) 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생연구원이 자일로스 원료를 자일론산과 자일리톨로 전환하는 반응기를 조작하고 있다./한국화학연구원   국내 연구진이 외부 수소 공급 없이 실온에서 자일로스를 고부가 성분인 자일론산과 자일리톨로 동시 생산하는 친환경 촉매·지속가능 분리공정을 개발했다. 한국화학연구원 황영규·김지훈·오경렬 연구원 연구진은 백금(Pt) 촉매 기반 전이 수소화 반응을 활용해, 자일로스를 고부가 유기산·당알코올로 동시에 전환했다고 29일 밝혔다. 이번 성과는 지난 3, 4월 각각 국제 학술지 ‘켐서스켐(ChemSusChem)’, ‘미 화학회 지속 가능한 화학 및 공학(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)’에 게재됐다. 최근 농업 폐기물과 같은 바이오 자원을 이용해 화학제품을 만드는 방법이 주목받고 있다. 그중 옥수수 심지, 자작나무 껍질 등에서 얻게 되는 ‘자일로스’라는 당분은 여러 화학제품의 중간 원료로 쓰인다. 특히 자일로스 원료에서 자일리톨, 자일론산을 만들면, 각각 설탕 대체용 감미료·바이오플라스틱, 의약품 등에 광범위하게 쓸 수 있다. 하지만 기존의 자일로스 기반 공정은 일반적으로 고온·고압 조건에서 외부 수소나 산소를 투입해 생산해 에너지가 많이 필요했다. 연구진은 ‘전이 수소화 기반 일괄반응’ 기술을 통해 자일로스를 동시에 자일리톨과 자일론산으로 만드는 데 성공했다. 우선 올해 3월 논문에서 지르코니아(ZrO₂) 지지체에 백금 나노입자를 고르게 분산시킨 촉매를 선보였다. 지르코니아가 백금을 잘 붙잡는 역할을 하며 5회 이상 재사용 후에도 80% 이상의 높은 전환율이 유지되어, 일반적인 탄소 지지체 대비 우수한 촉매 수명을 보였다. 신규 촉매와 함께 상온·상압에서 물·수산화칼륨·고농도의 자일로스 용액을 반응시키면 자일론산·자일리톨을 각각 동시에 생산할 수 있다. 이 과정에서는 수소 전이 효율 100%를 기록했다. 마치 요리할 때 재료에서 나온 국물을 그대로 다시 요리에 사용한 것처럼, 자일로스 분리 과정에서 나온 수소가 자일리톨을 만드는데 모두 재활용돼, 이론적으로 가장 높은 효율을 달성했다는 의미다.

조선비즈 2025.06.29