친환경 연료 후보로 꼽히는 암모니아를 탄소 배출 없이 효율적으로 생산할 수 있는 길이 마련됐다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 상가라쥬 샨무감 에너지공학과 교수팀이 일산화질소를 암모니아로 전환하는 촉매 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 기존 고온·고압 공정에 의한 방법이 아닌 전기화학적 방법으로 암모니아 생산에 발생하는 탄소 배출을 줄이고 생산 효율은 높였다고 설명했다.

암모니아는 연소하는 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않아 차세대 친환경 연료로 꼽힌다. 체적 에너지 밀도가 높아 무탄소 수소 운반체로도 활용 가치가 높다. 비료, 섬유, 제약과 같은 화학 산업에서 주요 화학 원료로 사용되고 있다.

하지만 암모니아는 생산방식에서 이산화탄소를 배출한다는 문제를 안고 있었다. 일반적으로 암모니아는 고온·고압 환경에서 공기 중에 있는 질소를 암모니아를 대량으로 합성하는 ‘하버-보슈(Haber-Bosch)’ 공정으로 생산된다. 이 공정에서 발생하는 이산화탄소 발생량은 연간 배출량의 1~2%를 차지할 정도로 높다.

이 문제를 줄이기 위해 과학계에서는 암모니아를 전기화학적으로 생산하는 방법을 연구하고 있다. 대기오염 물질인 일산화질소를 활용해 암모니아를 생산하는 친환경적인 방식으로 탄소를 배출하지 않는 장점이 있어서다.

이 전기화학적 방법은 일산화질소의 강한 부식성 탓에 암모니아 합성 도중 촉매의 금속 나노 입자 구조가 쉽게 무너진다는 단점이 있었다. 따라서 높은 암모니아 수율과 더불어 장기간 전기화학적 암모니아 합성이 가능한 높은 화학적 안정성을 가지는 소재 발굴이 필요했다.

상가라쥬 교수 연구팀은 질소 도핑된 다공성 탄소 구조를 활용해 ‘니켈 나노 입자 코어’와 ‘쉘 전기 촉매’를 개발했다. 이 촉매는 100% 일산화질소 가스가 전해질에 포화된 조건으로 낮은 과전위에서 패러데이 효율 72.3%를 달성했다. 패러데이 효율은 금속 혼합물을 가열해 성분을 분리했을 때 금속의 양을 측정하는 것을 뜻한다. 패러데이 효율이 100%에 가까울수록 전류를 효율적으로 사용한 것으로 본다.

DGIST는 이번 연구가 ‘산화질소 환원 반응’에 안정적이고 효율적인 전기화학적 촉매를 발견했다는 점에 의미가 크다고 밝혔다. 태양 에너지가 보조로 사용된 암모니아 합성 전해조의 시제품을 제작한 결과 태양광 에너지에서 1.7%의 암모니아 효율을 얻음과 동시에 50% 이상의 패러데이 효율을 달성했다고 전했다.

상가라쥬 교수는 “에너지 효율성은 높고 이산화탄소 배출이 없는 친환경적인 방법으로 암모니아를 환원하는 기술을 개발했다”면서 “이번 연구 기술이 실제 상용화돼 환경 보존에 기여할 수 있기를 희망한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구 과제 지원을 통해 수행됐다. 연구 결과는 재료 공학 분야의 저명 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다.