KAIST, 수소 생산 위한 암모니아 생산성 7배 향상 촉매 기술 개발

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 저온·저압에서도 높은 효율로 암모니아를 합성할 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

KAIST는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 획기적으로 줄이면서 암모니아 생산성을 7배 이상 향상시킬 수 있는 촉매 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

현재 암모니아는 철 기반 촉매를 활용한 하버-보슈 공정으로 생산되며, 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요하다.

이로 인해 막대한 에너지가 소비되며, 전 세계 이산화탄소 배출량의 상당 부분을 차지하고 있다. 이에 따라 제조 및 유통 비용도 상당한 부담으로 작용하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 수전해를 이용한 친환경 수소 기반 저온·저압(300℃, 10기압) 암모니아 합성 공정에 주목했다.

그러나 낮은 온도와 압력에서도 안정적인 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 기술이 필수적이었다.

연구팀은 이에 대한 해답을 전도성이 뛰어난 탄소 지지체에서 찾았다.

기존의 절연성 산화마그네슘 대신 탄소 지지체를 사용한 결과, 촉매 시스템의 작동 방식이 변화하며 효율성이 크게 증가한 것으로 나타났다.

최민기 교수는 “산화바륨이 루테늄과 직접 접촉하지 않더라도 수소 이온과 전자를 분리·저장할 수 있었다”며

추가로 “더 나아가 탄소 지지체의 나노 구조를 조절함으로써 촉매 성능이 기존 최고 수준의 촉매보다 7배 향상되는 것을 확인했다”고 설명했다.

특히 연구팀은 루테늄 촉매와 강한 염기성을 띠는 산화바륨 입자를 전도성이 높은 탄소 표면에 결합시켜 촉매를 ‘화학 축전지’처럼 작동하도록 설계했다.

암모니아 합성 반응 중 수소 분자는 루테늄 촉매에서 수소 원자로 분해된 후, 양성자는 산화바륨에 저장되고 전자는 루테늄과 탄소에 분리 저장되는 구조를 띤다.

이러한 특이한 화학 반응이 루테늄 촉매의 전자 밀도를 증가시키며 암모니아 합성 반응을 가속화하는 것으로 밝혀졌다.

이번 연구 결과는 촉매 화학 분야의 권위 있는 국제 학술지 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)에 지난 2월 24일 게재됐다.

최민기 교수는 “저온·저압에서도 높은 효율로 암모니아 합성이 가능하다는 점이 입증됐다”라며

“이 기술을 활용하면 기존의 대규모 공장 중심의 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해질 것”이라고 기대감을 전했다.

연구에는 최민기 교수가 교신저자로, 백예준 박사과정 연구생이 제1저자로 참여했다.

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신혜연 (karung2@sabanamedia.com) 기사제보