기존 공정 대비 에너지 소비율 34% 절약
암모니아 전환 효율은 최대 34.5% 향상
[세종=뉴스핌] 이태성 인턴기자 = 유해 암모니아와 이산화탄소의 동시 전해 전환반응을 통해 탄소 배출 없이 '그린 암모니아'를 얻는 새로운 촉매 기술이 제시됐다.
26일 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀은 전기에너지만으로 질소를 암모니아로 전환할 수 있는 촉매를 개발해 탄소 배출이 없는 '그린 암모니아' 생산을 위한 새로운 공정을 개발했다고 밝혔다.
질소와 수소의 화합물인 암모니아는 비료나 요소수를 만드는 데 사용되는 중요한 물질로 온실가스 없는 친환경 에너지원으로 기대되며 질량·부피 당 수소 밀도가 높아 차세대 수소 저장체로서 주목받고 있다.
현재 암모니아 생산 공정으로 하버-보슈법이 널리 사용되고 있으나 암모니아 합성 과정에서 에너지 소모량이 많고 상당량의 이산화탄소가 배출되기 때문에 암모니아를 친환경 수소 에너지 캐리어로 활용하기 위해서는 기존 하버-보슈법을 대체할 수 있는 친환경 암모니아 생산 공정 개발이 필수적이라고 평가받는다.
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 암모니아의 전환 효율이 매우 낮기 때문에 이를 개선하는 연구가 필요한 상황이다.
지스트 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀은 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 암모니아 생산기술로 전기에너지를 이용해 질소(N2)를 암모니아(NH3)로 전환하는 기술을 개발했다.
연구팀은 전기방사법을 통해 코발트-몰리브데넘이 탄소나노섬유 내부에 적절히 분포된 구조의 물질을 개발하고 이를 질소환원반응 촉매로 이용해 공기 중 질소를 고부가가치의 암모니아로 전환하는 데 성공했다.
연구팀이 제시한 촉매의 탄소나노섬유 구조에서는 반응물의 흡·탈착 세기가 적절히 조절되고 전해질 내 물이 수소로 전환되는 경쟁반응보다 질소환원반응에 참여하는 것으로 나타났다. 이러한 촉매를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 시스템에서는 암모니아 전환 효율이 기존 약 10% 미만 수준에서 최대 34.5%까지 향상됐다.
이재영 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 것으로 기대한다"고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단의 해외우수연구기관협력 허브구축사업의 지원으로 수행되었으며 화학 분야 권위지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'(IF=16.823)에 2022년 10월4일 온라인으로 게재됐다.
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