친환경 암모니아 생산용 촉매 만들었다

DGIST, 전기화학공정용 촉매 개발
120년 된 하버보쉬법 대체 가능성

[파이낸셜뉴스] 이산화탄소 배출없이 암모니아를 만드는 공정에 사용할 촉매가 개발됐다. 이 촉매는 전기화학적인 방법에 활용하는 것으로, 120년 넘게 쓰이는 하버보쉬법을 대체할 것으로 기대된다.

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 상가라쥬 샨무감 교수팀이 일산화질소를 암모니아로 만드는 전기화학공정용 촉매를 개발했다.

상가라쥬 교수는 20일 "에너지 효율성은 높고, 이산화탄소 배출이 없는 친환경적인 방법으로 암모니아를 만드는 촉매를 개발했다"며 "이 촉매가 실제 상용화돼 환경 보존에 기여할 수 있기를 희망한다"고 말했다.

암모니아는 비료, 섬유 및 제약과 같은 화학 산업에서 중요한 화학 원료 중 하나이며, 무탄소 수소 운반체다. 120년 전 하버보쉬법으로 암모니아를 대량 생산해 합성비료를 만들면서 농업혁명이 시작됐다. 그렇지만 하버보쉬법은 전 세계적으로 연간 이산화탄소 배출량의 1~2%를 차지하고 있다는 문제점이 있다.

최근, 전기화학적으로 일산화질소를 암모니아로 만드는 방법이 주목을 받고 있다. 이 공정은 대기오염 물질인 일산화질소를 활용하는 친환경적인 방식이며, 에너지 효율성이 높고, 이산화탄소 배출이 없는 등 자연을 훼손자지 않고 기존의 방식을 대체할 수 있는 유망한 접근법이다. 하지만, 일산화질소의 강한 부식성으로 인해 암모니아 합성중 촉매의 금속 나노 입자 구조가 무너지기 쉽다.

연구진은 질소가 첨가된 다공성 탄소 구조를 활용한 니켈 나노 입자 코어와 쉘 전기 촉매를 개발했다. 이 촉매를 만들때 서로 다른 여러 이온들을 용액속에서 동시에 아래로 가라앉게 하는 방법인 공침법을 활용했다.

이 촉매는 100% 일산화질소 가스가 전해질에 포화된 조건으로 매우 낮은 과전위(550 mV)에서 패러데이 효율 72.3%를 달성했다. 이를통해 '산화질소 환원 반응'에 안정적이고 효율적인 전기화학적 촉매임을 증명했다.

또한, 태양 에너지가 보조로 사용된 암모니아 합성 풀셀 시제품을 만들어 테스트했다. 그결과 태양광 에너지에서 1.7%의 암모니아 효율을 얻음과 동시에 50% 이상의 패러데이 효율을 달성했다.

연구진은 이번 연구결과를 재료 공학 분야의 저명 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자