태양에너지를 이용한 고효율 암모니아 생산기술이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈)은 장지욱·장성연 에너지화학공학과 교수팀이 토마스 자라밀로 미국 스탠퍼드대 교수와 공동으로 페로브스카이트 기반 친환경 암모니아 생산 광전극 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다.
이 시스템을 이용한 친환경 암모니아 생산 속도는 미국 에너지부가 정한 상용화 기준치의 약 1.7배를 웃돌아 세계 최고 수준을 나타냈다.
공동 연구팀은 태양에너지만으로 폐수의 주요 성분인 질산염을 물속에서 환원해 암모니아를 생산했다. 세계 최고 수준의 태양광-암모니아 전환 속도 달성은 물론 물에 약한 페로브스카이트의 단점도 극복했다.
암모니아는 비료, 음식, 제약 등 고부가가치 화합물을 합성하는 데 쓰이는 원료다. 현재 암모니아는 대부분 '하버-보쉬 공정'으로 생산하는데 친환경적이지 않고 막대한 양의 화석연료를 소모해야 한다. 또 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만들 수 있지만 물에는 쉽게 분해된다.
연구팀은 페로브스카이트를 액화 필즈금속으로 보호해 고성능에 내구성까지 갖춘 광전극 시스템을 개발했다. 필즈금속은 녹는 온도가 63도로 낮아 쉽게 녹지만 상온에서는 고체 형태를 유지해 페로브스카이트가 물과 직접 접촉하는 것을 막는다.
이어 루세늄을 티타늄 나노시트에 올리는 방식으로 고성능 암모니아 생산 촉매를 개발하고, 이를 광전극시스템과 결합했다. 물보다 낮은 전압에 반응하는 글리세롤을 이용해 산화반응 속도를 높여 최소 전압으로 암모니아를 생산하도록 유도했다.
그 결과 물속에서 빛을 받은 광전극은 전하를 만들고, 만들어진 전하는 전극 표면에 노출된 암모니아 생산 촉매에 결합해 안정적이고 고효율로 암모니아를 생산했다.
장지욱 교수는 “태양광 에너지만으로 외부 전압 없이 고효율로 암모니아를 생산할 수 있어 다양한 친환경 연료 생산에 활용할 수 있을 것”이라며 “고효율 태양광 연료 생산과 응용, 상용화를 위한 태양광 연료 생산 속도 기준을 초과 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다.
이 연구 성과는 '네이처 캐탈리시스(Nature Catalysis)'에 4월 1일자로 공개됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com