UNIST, 폐태양광 패널로 수소·이차전지 세라믹 소재 만든다

- 백종범 교수팀, 실리콘 넣어 암모니아 속 수소 분리하는 공정 개발

- 정제 없이도 순도 100% 수소·질화규소 동시 생산

암모니아에서 수소 기체만 분리하는 공정 개념도. (자료제공: UNIST)

개발된 공정의 수소 생산 성능. (자료제공: UNIST)

암모니아에 저장된 수소를 실리콘을 넣어 추출하는 기술이 나왔다. 추출 과정에서 이 실리콘은 이차전지 원료로 탈바꿈돼, 수소 생산 비용은 줄이고 폐태양광 패널의 실리콘을 재활용할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

UNIST(총장 박종래)는 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 암모니아에서 순도 100% 수소를 분리해내는 볼 밀링 공법을 개발했다고 9월 25일 밝혔다.

암모니아(NH₃)는 청정연료인 수소(H₂)를 값싸게 저장·운반할 수 있는 물질이다. 무게 대비 수소 함량이 17.6%로 높고, 이미 암모니아의 저장·운송 인프라도 잘 갖춰져 있기 때문이다. 문제는 암모니아에 화학적으로 저장된 수소를 다시 꺼내 쓰려면 400~600℃의 고온 분해와 추가 정제 공정이 필요하다는 점이다.

연구팀이 개발한 공정은 50℃ 수준의 낮은 온도에서 반응이 일어나 에너지 소모가 적고, 추가 정제 과정 없이 수소를 얻을 수 있다. 직경 수 밀리미터 크기의 구슬이 들어 있는 밀폐 용기(볼밀)에 암모니아 기체와 실리콘 분말을 함께 넣고 흔드는 방식이다. 

구슬의 충격과 마찰로 실리콘이 활성화되면서 암모니아가 빠르게 분해돼 수소가 나온다. 암모니아가 분해되면 수소뿐만 아니라 질소(N₂)도 같이 나오는데, 질소는 기체 형태로 방출되지 않고 실리콘과 반응해 질화규소(Si₃N₄)로 전환된다.

실험에서 암모니아 기체가 모두 분해돼 시간 당 102.5 mmol(밀리몰)의 수소가 생성됐으며, 성분 분석 결과 질소나 미반응 암모니아와 같은 기체 불순물은 전혀 없는 순도 100%의 수소로 확인됐다. 실제 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘을 사용했을 때도 동일한 전환율과 순도를 확보했다.

공정의 부산물인 질화규소는 이차전지 음극재 등으로 활용할 수 있는 고부가가치 소재다. 생산된 질화규소로 만든 리튬이온전지는 391.5 mAh/g의 용량을 기록했으며, 1,000회 이상 충·방전에도 99.9% 쿨롱 효율과 초기 용량의 80% 이상을 유지했다.

또 경제성 분석 결과, 폐태양광 패널로 만든 질화규소의 판매 수익까지 고려하면 수소 생산 단가가 -7.14달러/kg 수준으로 ‘마이너스’ 비용을 기록, 오히려 경제적 이익을 남길 수 있는 것으로 나타났다.

백종범 교수는 “암모니아 기반 수소 경제의 발목을 잡아 온 수소 분리·정제 문제에 해법을 제시한 성과”라며 “실제 폐태양광에서 회수한 실리콘 분말을 사용했을 때 상용 실리콘 분말을 쓴 경우와 비교해 성능 차이가 거의 없어, 2050년까지 8천만 톤 이상 누적 배출이 예상되는 폐태양광 재활용 기술로도 큰 가치가 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원 등의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 화학 분야 권위 학술지인 ‘미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 9월 3일 자로 출판됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]