울산과학기술원(UNIST) 연구진이 암모니아에서 고순도 수소를 추출하면서 동시에 폐태양광 패널을 재활용할 수 있는 혁신 기술을 선보였다.

UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 25일 암모니아에서 순도 100% 수소를 분리하는 볼 밀링 공법을 개발했다고 밝혔다.

암모니아는 무게 대비 수소 함량이 17.6%에 달하고 저장·운송 인프라가 잘 구축돼 있어 청정연료인 수소를 경제적으로 보관·이동할 수 있는 매체로 활용된다. 하지만 기존 방식은 400~600℃의 고온 분해와 별도 정제 과정이 필요해 에너지 소모가 큰 단점이 있었다.

새로 개발된 공정은 50℃ 수준의 저온에서 작동하며 추가 정제 없이도 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 직경 수 밀리미터 크기의 구슬이 담긴 밀폐 용기에 암모니아 기체와 실리콘 분말을 넣고 흔드는 방식으로, 구슬의 충격과 마찰로 실리콘이 활성화되면서 암모니아를 빠르게 분해시킨다.

이 과정에서 암모니아 분해 시 발생하는 질소는 기체로 방출되지 않고 실리콘과 반응해 질화규소로 변환된다. 실험 결과 시간당 102.5㎜ol의 수소가 생성됐으며 질소나 미반응 암모니아 같은 불순물이 전혀 없는 순도 100%의 수소를 확보했다. 실제 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘을 사용해도 동일한 성능을 보였다.

부산물로 생성되는 질화규소는 이차전지 음극재로 활용 가능한 고부가가치 소재다. 이를 이용해 제작한 리튬이온전지는 391.5mAh/g의 용량을 기록했으며, 1000회 이상 충·방전해도 99.9% 쿨롱 효율과 초기 용량의 80% 이상을 유지했다.

경제성 분석에서는 폐태양광 패널로 만든 질화규소의 판매 수익을 포함할 경우 수소 생산 단가가 -7.14달러/㎏로 마이너스를 기록해 오히려 경제적 이익을 창출할 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 8000만톤 이상 누적 배출이 예상되는 폐태양광 재활용 기술로도 큰 가치가 있을 것"이라고 밝혔다.

연구 결과는 미국화학회지에 9월 3일 자로 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원의 지원으로 수행됐다.