상가라쥬 샨무감(Sangaraju Shanmugam) 디지스트(총장 국양)교수(에너지공학과) 연구팀은 일산화질소(NO)를 암모니아로(NH3)로 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 해당 기술은 전기화학적인 방법을 활용한 것으로 패러데이 효율은 높고, 과전위는 매우 낮아 친환경적이면서도 효율적으로 암모니아(NH3)를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

암모니아(NH3)는 비료, 섬유 및 제약과 같은 화학 산업에서 중요한 화학 원료 중 하나로 높은 체적 에너지 밀도를 가진 무탄소 수소 운반체로써 각광받고 있다. 일반적으로 암모니아(NH3)는 고온·고압의 Haber-Bosch 공정에 의해 생산되는데, 이 공정은 전 세계 연간 이산화탄소(CO2)배출량의 1~2%를 차지하고 있다는 문제점이 있다.

최근, Haber-Bosch 공정의 대안으로 일산화질소(NO)를 암모니아(NH3)로 전기화학적으로 환원하는 방법이 큰 주목을 받고 있다. 해당 공정은 대기오염 물질인 일산화질소(NO)를 활용한 친환경적인 방식이며, 에너지 효율성이 높고, 이산화탄소 배출이 없는 등 자연을 훼손하지 않고 기존의 방식을 대체할 수 있는 유망한 접근법이다.

하지만, 일산화질소(NO)의 강한 부식성으로 인해 암모니아 합성 도중에 촉매의 금속 나노 입자 구조는 무너지기 쉽다. 따라서, 높은 암모니아 수율과 더불어 장기간 전기화학적 암모니아 합성이 가능한 높은 화학적 안정성을 가지는 소재를 탐색하는 것이 요구된다.

상가라쥬 교수 연구팀에서는 전기화학적 방법을 통해 안정적으로 암모니아(NH3)를 얻을 수 있도록 간단한 공침법으로 질소 도핑된 다공성 탄소 구조를 활용한 니켈 나노 입자 코어와 쉘(Ni@NC) 전기 촉매를 개발했다.

이 촉매는 100% 일산화질소(NO) 가스가 전해질에 포화된 조건으로 매우 낮은 과전위(550 mV)에서 패러데이 효율 72.3%를 달성함으로써 ‘산화질소 환원 반응’에 안정적이고 효율적인 전기화학적 촉매임을 보여줬다. 또한, 태양 에너지가 보조로 사용된 암모니아 합성 전해조(PV-NORR full-cell 전해조)의 시제품을 제작해 태양광 에너지에서 1.7%의 암모니아 효율을 얻음과 동시에 50% 이상의 패러데이 효율을 달성했다.

상가라쥬 교수는 “이번 연구를 통해 에너지 효율성은 높고, 이산화탄소 배출이 없는 친환경적인 방법으로 암모니아를 환원하는 기술을 개발했는데, 본 연구 기술이 실제 상용화돼 환경 보존에 기여할 수 있기를 희망한다”라고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단(NRF)의 중견 연구 과제의 지원을 통해 수행됐다. 연구 결과는 재료 공학 분야의 저명 학술지인 Advanced Science에 게재됐다.

최승우 기자 kantmania@kyosu.net

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