KAIST 성능 7배 높인 친환경 암모니아 촉매 개발
KAIST 성능 7배 높인 친환경 암모니아 촉매 개발
연세대 LG엔솔 차세대 배터리 건식 전극 상용화 해결책 제시
최민기 한국과학기술원 KAIST 생명화학공학과 교수 연구진이 기존 대비 7배 이상 높은 성능을 보이는 저온 저압 암모니아 합성 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.
연구 결과는 국제 학술지 네이처 카탈리시스 Nature Catalysis에 지난 2월 24일 게재됐다.
암모니아는 비료, 화학 제품, 연료 등 여러 산업에서 사용되는 중요한 물질이다.
최근에는 수소를 저장하고 운반하는 친환경 에너지원으로도 주목받고 있다.
하지만 현재 사용하는 하버 보슈 공정으로 암모니아를 만들기 위해서는 섭씨 500도 이상의 높은 온도와 100기압 이상의 강한 압력이 필요하다.
이 과정에서 많은 에너지를 소비하고 다량의 이산화탄소를 배출한다는 단점이 있다.
기존 촉매에서는 수소 분자가 루테늄 표면에서 분해됐지만, 연구진이 개발한 촉매는 수소가 양성자와 전자로 나뉘어 산화바륨과 탄소에 각각 저장된다.
이렇게 저장된 전자는 루테늄 촉매에 쌓이면서 더욱 활발하게 반응할 수 있는 환경을 만들어 준다.
그 결과, 암모니아를 만드는 핵심 과정인 질소 분자의 분해가 훨씬 더 쉽게 일어나면서 생산성이 높아지는 효과가 나타났다.
또한, 연구진은 탄소의 구조를 조절해 루테늄의 전자 밀도를 높이고 촉매의 성능을 극대화할 수 있음을 확인했다.
이렇게 만들어진 촉매는 섭씨 300도, 10기압인 조건에서 기존 촉매와 비교해 7배 이상의 암모니아 합성 성능을 기록했다.
최민기 교수는 “이번 연구를 통해 고성능 촉매를 활용하면 저온 저압 조건에서도 효율적인
암모니아 합성이 가능함이 확인됐다”며 “이를 통해 기존의 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모
암모니아 생산이 가능해지며, 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 더욱 유연한 암모니아 생산 활용이 가능해질 것으로 기대된다”고 설명했다.
이를 해결하기 위해, 최근에는 물을 전기로 분해하는 수전해 기술을 활용해 친환경 수소를 얻고, 이를 이용해 저온 저압에서 암모니아를 합성하는 방법이 연구되고 있다.
그러나 낮은 온도와 압력에서도 높은 생산성을 유지하기 위해선 촉매 개발이 필수적인 상황이었다.
연구진은 루테늄 촉매와 산화바륨을 전기가 잘 흐르는 탄소 표면에 결합해, 마치 배터리처럼 전자를 저장하는 화학 축전지 방식으로 작동하는 새로운 촉매를 개발했다.
기존 촉매에서는 수소 분자가 루테늄 표면에서 분해됐지만, 연구진이 개발한 촉매는 수소가 양성자와 전자로 나뉘어 산화바륨과 탄소에 각각 저장된다.
이렇게 저장된 전자는 루테늄 촉매에 쌓이면서 더욱 활발하게 반응할 수 있는 환경을 만들어 준다.
그 결과, 암모니아를 만드는 핵심 과정인 질소 분자의 분해가 훨씬 더 쉽게 일어나면서 생산성이 높아지는 효과가 나타났다.
또한, 연구진은 탄소의 구조를 조절해 루테늄의 전자 밀도를 높이고 촉매의 성능을 극대화할 수 있음을 확인했다.
이렇게 만들어진 촉매는 섭씨 300도, 10기압인 조건에서 기존 촉매와 비교해 7배 이상의 암모니아 합성 성능을 기록했다.
최민기 교수는 “이번 연구를 통해 고성능 촉매를 활용하면 저온 저압 조건에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능함이 확인됐다”며
“이를 통해 기존의 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해지며, 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 더욱 유연한 암모니아 생산 활용이 가능해질 것으로 기대된다”고 설명했다.
