포스텍(POSTECH)은 용기중 화학공학과 교수·통합과정 임채은 씨, 황윤정 서울대 화학부 교수, 신혜영 충남대 에너지과학기술대학원 교수 연구팀이 황(S)으로 수소 전달체인 암모니아 생산반응 효율을 높인 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
현재 암모니아를 만드는 방법은 하버-보시(Haber-Bosch) 공정이 유일하다. 그러나 이 공정은 고온(400~500℃)과 고압(200~300atm) 환경이 필요하기 때문에 세계 에너지 소모량 약 2%를 차지할 정도로 에너지 소모가 크다. 연간 이산화탄소 약 6억톤을 배출해 환경에 큰 부담을 주고 있다.
최근 리튬(Li)을 사용한 질소환원반응(Li-NRR)이 대안으로 떠오르고 있다. 대기 중 풍부한 질소 기체(N2)는 질소 2개가 삼중결합으로 붙어있어 반응성이 큰 리튬을 전극에 도금하면 강한 결합을 끊고 암모니아를 생산할 수 있다.
이 방법은 온실가스를 배출하지 않아 기존 공정보다 친환경적이지만 안정성과 생산 효율이 비교적 낮다. 효율을 높이려면 전지 전극에 리튬을 균일하게 증착해야 하고, 전극을 구성하는 고체 전해질 계면(SEI)의 안정성을 높여야 한다.
연구팀은 이번 연구에 황을 사용했다. 일반적으로 황은 여러 촉매 반응에서 피독현상을 일으키지만, 극소량 사용하는 경우 반응 활성을 높인다.
황이 포함된 황화디메틸(Dimethyl Sulfide)을 첨가하자 황산리튬과 황화리튬 분자가 형성되며 리튬 이온 이동이 원활해졌다.
그로 인해 리튬이 전지 전극에 균일하게 증착됐고, SEI 형태가 조밀하고 얇은 필름 구조에서 그물 구조로 바뀌었다. 이 구조는 이온 전도도를 높여 리튬이 더 균일하게 증착될 수 있도록 했다.
용기중 교수는 “암모니아를 보다 효율적으로 생산하는 이 연구가 친환경 수소 기술을 선점하는 데 큰 도움이 되기를 바란다”는 말했다.
한국연구재단 선도연구센터사업과 해외우수연구기관 협력 허브 구축사업 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 에너지분야 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
