KAIST, 100년 넘은 암모니아 생산방식 바꿔 생산성 7배↑

저온·저압 촉매 개발…"친환경 수소경제 시대 앞당길 것"

획기적인 수소생산 공정 촉매 기술이 개발돼 학계 관심을 끌었다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

현재 암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용해 하버-보슈 공정이라는 100년 넘은 기술로 생산된다.

혁신적인 암모니아 촉매를 개발한 KAIST 연구진. 최민기 교수(오른쪽)와 백예준 연구생(박사과정).(사진=KAIST)

하지만, 이 방식은 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요하다. 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 크다. 이에 따라 제조나 유통비용도 만만치 않다.

최근엔 물을 전기로 분해하는 수전해 기술을 이용해 그린 수소로 저온·저압(300도,10기압)에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정이 주목받고 있지만, 이에도 문제가 있다.

낮은 온도와 압력에서도 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 개발이 필수적으로 따라가야 하는데, 아직까지 이를 해결하지 못했다.

연구팀은 이에 대한 답을 '탄소'에서 찾았다.

최민기 교수는 "기존의 절연성 산화마그네슘 대신, 전자 이동이 자유로운 탄소 지지체를 사용했더니 촉매 시스템의 작동 방식이 크게 변화했다"며 "이 구조에서는 산화바륨이 루테늄과 직접 계면을 이루지 않아도 수소이온과 전자의 분리 저장이 가능했다"고 설명했다.

최 교수는 "더 놀라운 점은 탄소 지지체의 나노 구조를 제어함에 따라 촉매 성능이 크게 달라졌다는 점"이라며 "기존 최고 수준인 산화마그네슘 기반 촉매보다 무려 7배 향상된 암모니아 합성 성능을 확인했다"고 부연설명했다.

최 교수는 또 "이번 연구결과에 대해 학계가 주목 중"이라며 "기존의 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해질 것"으로 기대했다.

연구에는 생명화학공학과 최민기 교수가 교신저자, 백예준 연구생(박사과정)이 제 1 저자로 참여했다. 연구 결과는 촉매 화학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 지난 2월 24일 게재됐다.

산화바륨 조촉매의 루테늄 촉매 활성 증진 기작을 나타내는 모식도.