폐태양광 패널로 수소·배터리 소재 동시 생산

하이커뮤니티매니져 0 3 02:40

UNIST

암모니아에서 수소 기체만 분리하는 공정 개념도. UNIST 제공.

암모니아에서 순도 100% 수소를 분리하는 기술이 개발됐다. 수소 생산의 경제성을 높이고 폐태양광 패널 재활용이라는 두 가지 중요한 과제를 동시에 해결할 수 있어 혁신적인 성과로 평가된다.

울산과학기술원(UNIST)은 백종범 에너지화학공학과 교수 연구팀이 암모니아에서 순수한 수소만을 분리해내는 '볼 밀링(ball milling) 공정'을 개발했다고 25일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '미국화학회지(JACS)'에 게재됐다.

암모니아는 무게 대비 수소 함량이 17.6%에 달하고 이미 저장·운송 인프라가 잘 갖춰져 있어 차세대 수소 저장 매체로 주목받아 왔다. 하지만 400~600℃의 고온 분해와 복잡한 정제 과정을 거쳐야 수소를 얻을 수 있다는 한계가 있다.

연구팀이 개발한 공정은 단 50℃ 수준에서 반응이 일어나 에너지 소모를 획기적으로 줄인다. 직경 수 밀리미터(mm) 크기의 밀폐 용기 속에 실리콘 분말과 암모니아 기체를 함께 넣고 흔들어 충돌과 마찰을 일으키는 방식이다. 그러면 실리콘이 활성화되면서 암모니아가 빠르게 분해되고 수소가 방출된다.

이 과정에서 발생하는 질소는 대기 중으로 방출되지 않고 실리콘과 결합해 질화규소로 전환된다. 실험 결과 암모니아 기체는 모두 분해되고 시간당 102.5 밀리몰(mmol)의 수소가 생산됐다. 이 수소는 불순물이 전혀 없는 순도 100% 수소임이 확인됐다. 실제 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘을 사용했을 때도 동일한 전환율과 순도를 유지했다.

공정의 부산물인 질화규소는 리튬이온전지 음극재로도 활용할 수 있는 고부가가치 소재다. 실제 제작된 리튬이온전지는 391.5 밀리암페어시(mAh/g)의 용량을 기록했다. 1000회 충·방전 후에도 초기 용량의 80% 이상과 99.9%의 쿨롱 효율(충전용량 대비 방전용량)을 유지했다.

경제성 분석에서도 주목할 만한 결과가 나왔다. 질화규소 판매 수익을 포함하면 수소 생산 단가는 –7.14달러/kg로 ‘마이너스 비용’을 기록해 오히려 수익을 남기는 구조가 나오는 것으로 나타났다.

백 교수는 “이번 연구는 암모니아 기반 수소경제의 걸림돌이었던 수소 분리·정제 문제를 해결했다"며 "동시에 2050년까지 8천만 톤(t) 이상 누적 배출이 예상되는 폐태양광 재활용에도 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 말했다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=74240

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