UNIST 저온·저압으로 고성능 암모니아 합성법 개발

백종범 교수팀, 기계화학적 방법으로 칼륨 촉진제 활용

기존보다 30% 높은 촉매 성능 달성…암모니아 합성 효율 증가

[울산=뉴시스] UNIST 연구진. 사진 왼쪽부터 백종범 교수, 가오펑한 연구원 *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스]구미현 기자 = UNIST(울산과학기술원)는 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 칼륨 반응 촉진제를 활용한 기계화학적 암모니아 수율 향상법을 개발했다고 27일 밝혔다.

암모니아(NH₃)는 질소와 수소가 화학 반응으로 합성되는 물질로 비료나 화학 산업에서 광범위하게 사용되며 수소 운송체로 각광받고 있다. 암모니아는 액화수소보다 단위 부피당 수소 저장 밀도가 1.7배 높아 많은 양의 수소를 저장할 수 있다. 또한 자연 상태의 온도와 기압에서 쉽게 액화되기 때문에 운송과 유통이 용이하다.

먼저 암모니아를 합성하기 위해 삼중으로 구성된 질소의 기체 결합을 끊어야 한다. 1900년대 초부터 고온·고압의 조건에서 촉매를 이용해 질소와 수소를 반응시키는 하버-보쉬법을 사용해 암모니아를 대량생산 해 왔다. 특히 하버-보쉬법에서 철촉매의 활성을 촉진하는 산화칼륨은 고온에서 칼륨을 안정화시키는 역할을 한다. 하지만 산화칼륨에는 산소가 포함돼 있어 질소의 결합을 끊는 것을 방해해 철 촉매의 성능을 낮춘다는 문제점을 가진다.

[울산=뉴시스] 각 촉매 (Fe, Fe(K+O), FeK)의 온도에 따른 활성도 차이 *재판매 및 DB 금지

연구팀은 이를 개선하기 위해 기계화학적 방법을 활용한 저온·저압에서 암모니아를 합성하는 방법을 고안했다. 산화칼륨 대신 칼륨을 직접 반응 촉진제로 사용해 질소의 결합을 효과적으로 끊을 수 있었다. 연구팀은 이 방법으로 산화칼륨보다 약 30% 높은 촉매 성능을 달성했고 철 촉매만 사용했을 때(82.5%)보다 약 12% 높은 암모니아 수율(94.5%)을 달성했다. 또한 기존에 철 촉매만 사용했을 때 밀링 속도(350r.p.m.) 보다 3.5배 낮은(100r.p.m.) 밀링 조건에서 암모니아를 합성할 수 있었다.

백종범 에너지화학공학과 교수는 “반응 촉진제를 통해 저온·저압에서 보다 효율적으로 암모니아를 생산할 수 있는 방법을 개발했다”며 “국소지역에서도 암모니아를 생산할 수 있는 암모니아의 탈중앙화를 가능하게 할 것”이라고 기대했다.

암모니아 합성의 에너지 효율을 증가시키고, 기계화학법의 상업화를 가속화할 수 있는 새로운 기술을 제시한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 22일 게재됐다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]