농도 낮은 질산염 폐수에서도 효율적으로 암모니아 생산한다

KAIST, 질산염 환원법 효율 높이는 촉매 개발

탄소 순환 못지 않게 영향을 미치는 문제가 질소이다. 질산염은 수질 오염, 산성비, 미세먼지의 생성 원인으로 알려져 있다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 전기를 이용해 저농도 질산염 수용액에서 주요 산업용 소재인 암모니아를 높은 효율로 생산하는 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

이 전기 촉매는 구리 금속 폼(Cu foam)과 니켈-철 층상이중수산화물의 복합체로 구성돼 있다. 구리 폼은 질산염을 선택적으로 흡착한다.  니켈-철 층상이중수산화물은 화학이나 생체반응을 통해 반응 중 생성된 중간체 수소 라디칼을 생성해 구리 폼에 전달, 질산염이 암모니아로 바뀌도록 효율적으로 진행한다. 니켈-철 층상이중수산화물의 전기전도도가 낮아 질산염 환원이 일어나는 전압에서 수소-수소 결합을 통한 수소가스를 생성하지 않고 효율적으로 수소 라디칼을 물로부터 만들 수 있었다.

구리 금속 폼(Cu foam)/니켈-철 층상이중수산화물(LDH)을 이용한 질산염(NO₃-)으로부터 암모니아(NH₃)를 생산하는 과정 모식도 (자료=KAIST)

구리, 철, 니켈 모두 현재 촉매로 많이 쓰이는 귀금속에 비해 풍부하고 저렴한 소재들이다.

또 이 기술은 기존 질산염 환원과는 달리 저농도 질산염 수용액에서도 좋은 성능을 갖는다. 실제 하천이나 강물, 질산염을 배출하는 저농도 폐수를 이용해 암모니아를 생산할 수 있다.

강정구 교수는 "친환경적인 전기에너지를 이용해 질산염 환원법으로 암모니아를 생성하는 경우, 값비싼 수소 기체를 이용하며 고온·고압의 반응 조건으로 유발되는 안전성 문제를 가진 하버-보쉬 공정을 효과적으로 대체할 수 있다"라며 "반응 자리와 수소 라디칼 자리가 분리된 촉매 구조를 통해 저농도 질산염에서도 효율적으로 암모니아를 생성할 수 있다"라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science)'에 최근 온라인 게재됐다.