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전기화학적 암모니아 합성 촉매 개발…"에너지 26% 절감"

등록 2023.03.21 12:00:00

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기존 하버-보슈법 대비 효율적…국제학술지 게재

촉매 표면에서 일어나는 화학반응 촉진시킬 방법 연구

[서울=뉴시스] 티오요소(TU)-황화니켈(NiS) 촉매의 형태와 전기화학적 질소 환원 효율 그래픽. TU-NiS 촉매의 형태와 전기화학적 질소 환원 효율을 촉매로 사용한 결과, TU를 사용하지 않은 NiS에 비해 우수한 암모니아 생산 효율을 보여준다. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 티오요소(TU)-황화니켈(NiS) 촉매의 형태와 전기화학적 질소 환원 효율 그래픽. TU-NiS 촉매의 형태와 전기화학적 질소 환원 효율을 촉매로 사용한 결과, TU를 사용하지 않은 NiS에 비해 우수한 암모니아 생산 효율을 보여준다. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지


[서울=뉴시스] 심지혜 기자 = 우리 연구팀이 암모니아를 효율적으로 생산할 수 있는 전기화학 촉매 물질 개발에 성공했다. 이 촉매는 기존 하버-보슈법으로 암모니아를 생산할 때보다 약 26% 정도의 에너지를 절감할 수 있다는 데에 의의가 있다.

저렴한 원료를 기반으로 합성이 쉬워 경제성이 있는 데다 컴퓨터 시뮬레이션을 이용, 촉매 개발에 시행착오를 줄임으로써 소재 개발 시간과 비용도 줄일 수 있다. 이를 바탕으로 향후 전기화학적 암모니아 생산 기술의 상용화가 앞당겨질 전망이다.

과학기술정보통신부는 한상수 한국과학기술연구원(KIST) 센터장 공동연구팀이 기존 '하버-보슈법' 대비 26%의 에너지 절감 효과가 있는 전기화학적 암모니아 합성 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 공동교신저자는 심욱 한국에너지공과대 교수 유태경 경희대 교수다.

과기정통부 미래소재디스커버리사업과 소재연구데이터플랫폼사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제학술지 어플라이드 카탈리시스 비-인바이런먼트(Applied Catalysis B: Environment, IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%)에 게재됐다.

암모니아(NH3)는 비료의 주원료로 사용되는 등 우리 생활 속 중요 물질이다. 최근 에는 높은 수소 저장밀도와 탄소를 배출하지 않는 특성으로 친환경 수소에너지의 핵심 물질로도 주목받는다.

그러나 널리 사용되는 암모니아 생산 공정인 하버-보슈법(Haber-Bosch)은 높은 온도(400~500˚C)와 압력(100-300기압) 조건에서 작동해 에너지 소모량과 탄소 배출량이 많다는 점이 단점으로 지적된다.

이를 해결하기 위해 상온(25˚C), 상압(1기압)에서 전기화학적으로 암모니아를 생산하는 기술이 연구되고 있지만 투입 에너지 대비 생산되는 암모니아의 양이 많다.

금속화합물 촉매의 경우 금속 물질과 탄소유기물질을 화학적으로 결합해 촉매 물질을 합성하게 되는데, 기존의 연구들에서는 촉매 합성 후 금속 표면에 남은 탄소유기물질로 인해 촉매 성능이 저하됐다.
[서울=뉴시스] 한국과학기술연구원 한상수 센터장 공동연구팀이 기존 하버-보슈법 대비 26%의 에너지 절감 효과가 있는 전기화학적 암모니아 합성 촉매를 개발했다. 사진은 한상수 센터장과 공동교신저자 심욱 교수, 유태경 교수. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 한국과학기술연구원 한상수 센터장 공동연구팀이 기존 하버-보슈법 대비 26%의 에너지 절감 효과가 있는 전기화학적 암모니아 합성 촉매를 개발했다. 사진은 한상수 센터장과 공동교신저자 심욱 교수, 유태경 교수. (사진=과기정통부) *재판매 및 DB 금지


연구팀은 촉매 표면의 탄소유기물질을 제거하는 대신 반대로 이 탄소유기물질을 이용, 촉매 표면에서 일어나는 화학반응을 촉진시킬 수 있는 방법을 계산과학 시뮬레이션을 통해 연구했다.공동교신저자: 심욱 교수(한국에너지공과대학교), 유태경 교수(경희대학교)

이 시뮬레이션을 기반으로 황화물계 촉매에 탄소유기물질인 티오요소(Thiourea, TU)를 조촉매로 사용하게 되면 전기화학적 암모니아 합성 촉매 성능이 크게 향상될 수 있음을 발견했다.

티오요소를 니켈(Ni) 전극과 반응시켜 황화니켈(NiS) 촉매를 합성했다. 해당 촉매는 기존의 황화물계 촉매들과 비교했을 때 세계 최고 수준의 촉매 성능을 보였다는 게 연구팀 설명이다.

연구팀은 티오요소가 황화니켈 촉매 표면에서 전기화학반응 동안에 그 자체가 암모니아로 변환되기도 하고, 동시에 암모니아 변환 후에 남아있는 탄소(C)는 촉매 표면에서 새로운 암모니아 생산을 촉진시키는 매개체 역할을 하게 됨을 발견했다.

개발된 촉매는 50시간 연속적으로 사용해도 안정적으로 촉매 성능이 유지되는 등 안정성 측면에서도 다른 촉매에 비해 우수한 특성을 보였다.

한상수 센터장은 "개발된 촉매는 촉매 성능도 우수하지만 저렴한 원료를 기반으로 쉽게 제조가 가능해 향후 전기화학적 암모니아 생산 기술의 상용화를 앞당겼다는 데에 의의가 있다"며 "컴퓨터 시뮬레이션을 통해 촉매 소재 개발의 시행착오를 줄여 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있었다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

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