국내 연구진이 기존 성능을 7배 높이고 저온·저압에서도 암모니아를 효율적으로 합성할 수 있는 암모니아 합성 촉매를 개발했다. 

한국과학기술원(KAIST)은 최민기 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구진이 기존 암모니아 생산 방식의 높은 에너지 소비와 이산화탄소 배출 문제를 해결할 암모니아 합성 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

암모니아는 비료, 의약품 등 다양한 산업에서 필수적인 화합물로 사용됟나. 최근에는 높은 수소 저장 용량과 운송 효율성 덕분에 수소 경제의 핵심 운반체로 주목받고 있다. 

연구팀은 루테늄(Ru)과 산화바륨(BaO)을 전도성 탄소 지지체에 결합해 ‘화학 축전지’처럼 작동하는 새로운 촉매 시스템을 개발했다. 촉매는 300도, 10기압의 온건한 조건에서도 기존 최고 성능 촉매 대비 7배 이상 높은 암모니아 합성 능력을 보여줬다.

현재 암모니아는 100년 이상 사용된 하버-보슈 공정으로 생산된다. 이는 500도 이상의 고온과 100기압 이상의 고압을 요구해 막대한 에너지를 소비하고 세계 이산화탄소 배출 주요 원인으로 지목된다. 또한 대규모 공장에서만 제조돼 유통 비용도 상당하다. 이에 반해 연구팀이 개발한 촉매는 수전해로 생산된 그린 수소를 활용해 저온·저압에서 암모니아를 합성할 수 있어 에너지 효율성과 친환경성을 동시에 충족한다.

연구팀은 루테늄 촉매 표면에서 수소 분자가 분해되며 생성된 수소 원자가 양성자(H⁺)와 전자(e⁻)로 나뉘는 현상에 주목했다. 이 과정에서 양성자는 산화바륨에 저장되고 전자는 루테늄과 탄소에 축적돼 질소 분자의 활성화를 촉진한다. 특히 탄소 지지체의 나노구조를 조절해 일함수를 낮춘 질소 도입 탄소나노튜브(N-doped MWCNT)를 사용함으로 촉매 성능을 극대화했다.

최민기 KAIST 교수는 “이번 연구는 촉매 내부의 전자 이동을 조절해 활성을 높일 수 있음을 보여준 사례로 학계에서 주목받고 있다”며 “저온·저압에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능해지며, 기존 대규모 공장 중심 생산에서 벗어나 분산형 소규모 생산이 가능해질 것”이라고 밝혔다. 그는 이어 “이는 친환경 수소 경제에 적합한 유연한 암모니아 생산·활용 기반을 마련할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

이번 연구는 백예준 박사과정 학생이 제1저자로 참여했다. 촉매 화학 분야 권위지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 지난 24일 게재됐다.