국내 연구진이 전기화학적인 방법을 통해 공기 중의 질소와 순수한 물을 이용한 친환경적인 공정으로 암모니아 생산성을 높일 수 있는 새로운 촉매전극을 개발했다. 이번 연구는 생산 효율이 높고 탄소를 배출하지 않아 탄소 중립의 핵심 원료인 그린 암모니아의 대량 공급 가능성을 제시했다.
경북대 화학과 이혜진 교수팀은 광주과학기술원 지구환경공학부 이재영 교수팀과 한국에너지기술연구원 수소연구단 주형국 박사와 공동연구로 나노금속산화물촉매(산화루테니움, RuO2)에 친수성 이온성 액체를 도입해 기존의 촉매전극보다 촉매 반응 활성점이 매우 우수한 탄소섬유 기반 촉매전극층을 개발했다.
암모니아는 전 세계적으로 연간 약 1.8억톤이 생산되며, 대부분 비료와 요소수, 질산 등 화학물 원료로 사용되고 있다. 최근에는 친환경 수소의 장기 저장 및 해외 수소도입을 위한 운송 수단으로 암모니아가 각광받고 있다.
현재 암모니아 생산 주요 공정으로 100년 이상의 역사를 가지고 있는 하버-보슈법이 사용되고 있다. 400~600℃의 고온과 100~200 기압의 고압에서 암모니아를 대량으로 합성하는 방법으로 전 세계 에너지의 2% 이상을 사용하고 있다. 이 공정은 암모니아 합성의 주원료인 수소가 대부분 석탄이나 천연가스(LNG)와 같은 화석연료로부터 추출되기 때문에 대량의 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출(세계 배출량의 약 1.4%를 차지)과 미세먼지 발생과 같은 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 지난 10여년 전부터 미국, 호주, 일본 등의 국가에서 화석연료를 사용하지 않으며 이산화탄소 배출 없는 그린 암모니아 합성 공정에 대한 연구에 많은 연구비를 투자하고 있다.
공동연구팀이 주목한 전기화학적 암모니아 합성법은 재생에너지 전력을 직접적으로 사용하기에 가장 탁월한 공정이며, 상온(20~25℃) 및 상압(1기압)에서 촉매 반응을 통해 암모니아를 생산할 수 있다. 하지만 기존의 연구결과에서는 낮은 암모니아 합성률과 반응 선택성의 한계를 보여왔다. 공동연구팀은 이온성 액체로 특화된 나노촉매전극층 구조를 개발해 기존의 전기화학적 암모니아 합성률 대비 5~10배 높은 개선된 성능과 안정적인 반응 선택성을 확인했다.
연구결과는 응용화학 분야 저명 학술지인 ‘저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry, 분야별 랭킹 상위 2.7% 저널)’ 11월 26일 온라인판에 게재됐다. 제1저자는 경북대 무함마드 살만 박사과정생, 광주과학기술원 함가현 박사와 정선기 박사이다.
이혜진 교수는 “이번 연구는 고순도 수소 공급, 암모니아 고온연료전지(SOFC), 암모니아 엔진 등과 같이 암모니아의 친환경적 활용에 대한 게임 체인저 기술이 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.
