포스텍, 새로운 촉매로 그린 암모니아 생산 효율 63% 개선

연구결과 나노공학 국제 학술지 '스몰' 표지논문으로 게재

국내 연구진이 수소를 추출하고 운반하는 데 유용한 그린 암모니아 생산 효율을 획기적으로 개선하는데 성공했다. 수소는 탄소경제의 핵심 물질로 최근 주목받고 있다.

포스텍(POSTECH)은 화학공학과· 친환경소재대학원 김원배 교수와 맹준범 통합과정 연구생(제1저자)이 산소 원소의 빈 공간 조절과 이종 원소 도핑을 통해 그린 암모니아 생산 효율을 높이는 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

이 연구결과는 나노 공학 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’의 표지(front cover) 논문으로 지난 12일 게재됐다.

그린 암모니아 생산 효율을 개선한 포스텍 연구진. 왼쪽부터 김원배 교수, 맹준범 연구생.

청정에너지인 수소는 반응성이 매우 커 수소를 안전하고 효율적으로 저장하고, 운반할 방법이 필요하다. 최근 하나의 질소에 세 개의 수소가 결합한 암모니아(NH₃)가 수소 저장 및 운반 매개체로 떠올랐다. 수소보다 안정성이 높고, 수소 밀도가 높기 때문이다.

그러나 암모니아 생산 공정에는 많은 에너지가 필요하고, 온실가스를 배출한다는 문제가 있다. 질산과 질산염을 이용하는 방안이 있지만, 이 또한 질산염 환원반응(NO₃RR)과 함께 발생하는 경쟁반응(수소환원반응:HER)으로 인해 그린 암모니아 생산 효율이 떨어진다.

김원배 교수팀이 이를 새로운 촉매로 해결했다. 연구팀은 먼저 아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 통해 구리 산화물(CuOx) 촉매의 산소를 임의로 제거해 ‘산소 원소 빈자리’를 만들었다.

촉매를 구성하는 산소 음이온O²- 하나가 사라지면, 촉매 표면에는 전기적 중성을 맞추기 위해 반응에 참여할 수 있는 자유전자가 풍부해질 뿐만 아니라 촉매 활성 부위가 넓어져 더 많은 반응 물질이 촉매와 접촉할 수 있게 된다.

연구팀은 또 질소(N)와 셀레늄(Se)으로 도핑된 탄소 지지체를 만들었다. 질소와 셀레늄은 질산염 이온의 N-O 결합을 약하게 만들어 질산염 이온이 훨씬 더 쉽게 촉매 표면에 흡착하도록 도와 HER보다 NO₃RR을 촉진했다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 촉매는 NO₃RR에서 87.2%의 높은 전류 효율(페러데이 효율)과 7.9mg/㎠/h의 암모니아 생산량을 기록했다. 이는 기존 암모니아 생산량 5.0 mg/㎠/h 대비 63% 개선한 수치다.

포스텍의 그린 암모니아 생산효율 개선 연구결과가 실린 스몰지 표지논문 사진.

김원배 교수는 “기존 기술의 한계를 극복하고 그린 암모니아를 선택적· 효율적으로 생산할 수 있는 혁신적인 촉매를 개발했다”며 연구의 의미를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 그린 암모니아 사이클링 선도연구센터(ERC), 중견연구자 지원산업, 산업통상자원부 수소인력양성 사업의 지원을 받았다.