포스텍(POSTECH)은 용기중 화학공학과 교수와 석사과정 한예빈 씨, 통합과정 임채은·김영비 씨 연구팀이 한정우 서울대 신소재공학과 교수 연구팀, 전상민 포스텍 화학공학과 교수팀과 공동 연구를 통해 용매의 입체 효과를 도입한 전해질 엔지니어링으로 친환경 암모니아 생산 효율을 높이는 연구성과를 냈다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 온라인판에 최근 게재됐다.
수소는 탄소 배출이 없고, 재생에너지로 생산 가능하며, 효율성과 활용도가 높은 친환경 에너지원이다. 특히, 질소(N) 원자 하나에 세 개의 수소(H) 원자가 결합한 암모니아(NH3)는 에너지 밀도가 높아 효과적인 수소 운반체로 주목을 받고 있다. 그러나 현재 암모니아 생산은 고압·고온 환경이 요구되는 '하버-보쉬(Haber-Bosch)' 공정에 의존하고 있어 막대한 에너지 소비와 환경적 부담이 문제로 지적되고 있다.
이를 해결하기 위해 상온에서 리튬을 매개로 질소에 수소를 결합시키는 '질소 환원 반응' 연구가 진행되고 있으며, 친환경 암모니아 생산의 핵심은 '고체 전해질 계면(SEI)'을 제어해 암모니아의 선택성을 높이는 것이다. SEI는 전해질이 분해되면서 환원 전극 표면에 형성되는 막으로 반응물질의 이동과 전도도 등 반응 효율과 선택성에 큰 영향을 미친다.
연구팀은 리튬과 용매 사이의 결합을 약화해 리튬의 반응 효율을 높이는 방법을 제시했다. 연구팀은 플루오린(F) 등 음이온이 포함되어 있는 '입체 효과 기반 전해질(STE)'을 개발해 기존 용매인 테트라하이드로퓨란(THF)의 알파 수소를 입체 구조가 큰 메틸기(CH₃)로 치환했다. 그로 인해 리튬과 결합하는 산소가 가려지는 효과가 발생하면서 리튬과 용매 간 결합이 약해졌고, 리튬이 반응에 더 쉽게 참여할 수 있게 되었다.
특히, 이 전해질을 사용했을 때 생성된 SEI는 얇고 고른 형태를 가져 반응물의 전달이 원활해졌고, 실험 결과 선택성을 나타내는 패러데이 효율이 2배, 전기 에너지 효율이 1.5배 향상됐다. 또, 연구팀은 최대 10시간 동안 안정적으로 암모니아를 생산하는 데 성공했으며, 플루오린을 비롯해 여러 음이온을 포함하고 있는 리튬 염 실험에서도 입체 효과를 통해 암모니아 생성 효율이 향상됨을 확인했다.
용기중 교수는 '탄소 배출을 효과적으로 줄일 수 있는 그린 암모니아 생산성을 높인 측면에서 의의가 크다“라는 말했다.
한편, 이 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 에너지평가기술원의 지원을 받아 수행됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
