광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이재영 지구·환경공학부 교수팀이 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 암모니아 생산기술로 전기에너지를 이용해 질소를 암모니아로 전환하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
질소와 수소 화합물인 암모니아는 비료나 요소수를 만드는 데 사용되는 중요한 물질이다. 온실가스 없는 친환경 에너지원으로 질량과 부피당 수소 밀도가 높아 차세대 수소 저장체로서 주목받고 있다.
현재 암모니아 생산 공정으로 하버-보슈법을 널리 사용하고 있다. 하지만 암모니아 합성 과정에서 에너지 소모량이 많고 1톤 암모니아를 생산하기 위해 약 2.9톤 이산화탄소가 배출된다. 따라서 암모니아를 친환경 수소 에너지 캐리어로 활용하기 위해서는 기존 하버-보슈법을 대체할 수 있는 새로운 친환경 암모니아 생산 공정 개발이 필요한 상황이다.
전기에너지를 이용한 암모니아 합성 공정은 에너지 소모량이 적고 화석연료 의존도를 낮출 수 있다는 점에서 새로운 탄소중립 기술로 주목받고 있으나 전해질 내 다양한 경쟁 반응으로 인해 암모니아 전환 효율이 매우 낮다는 단점을 갖고 있다.
이재영 교수팀은 전기에너지만으로 질소를 암모니아로 전환할 수 있는 촉매를 개발해 탄소 배출이 없는 '그린 암모니아' 생산을 위한 새로운 공정을 제시했다. 전기방사법을 통해 코발트-몰리브데넘이 탄소나노섬유 내부에 적절히 분포된 구조의 물질을 개발해 이를 질소환원반응 촉매로 이용해 공기 중 질소를 고부가가치의 암모니아로 전환하는 데 성공했다.
연구팀이 제시한 촉매의 탄소나노섬유 구조에서는 반응물의 흡·탈착 세기를 적절히 조절하고, 전해질 내 물이 수소로 전환되는 경쟁 반응보다 질소 환원반응에 참여하는 것으로 나타났다. 이러한 촉매를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 시스템에서는 암모니아 전환 효율이 기존 약 10% 미만 수준에서 최대 34.5%까지 향상됐다.
이 교수는 “이번 연구 성과는 기존 공정보다 더 친환경적인 새로운 암모니아 생산 공정과 암모니아의 수소 저장체로서의 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”면서 “향후 대량 생산이 가능하도록 반응기를 최적화시킨다면 암모니아 생산 공정 효율을 최대한 높일 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 한국연구재단의 해외 우수 연구기관협력 허브구축사업 지원으로 수행했으며 화학 분야의 권위지인 '앙게반테 케미'에 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
