(대전ㆍ충남=뉴스1) 양상인 기자 = 학국과학기술원(KAIST)은 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀이 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 줄이면서 암모니아 생산성을 획기적으로 향상시키는 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.
암모니아는 탄소 배출 없이 수소를 저장할 수 있어 친환경 수소 경제의 핵심 물질로 주목받는다.
하지만 기존 암모니아 생산에 사용되는 하버·보슈 공정은 500도 이상의 고온과 100기압 이상의 고압에서 철 기반 촉매가 사용돼 높은 에너지 소비와 막대한 이산화탄소가 배출되는 한계가 있었다.
연구팀은 저온·저압(300도, 10기압)에서도 높은 암모니아 생산성을 발휘하는 신개념 촉매를 개발했다.
이 촉매는 루테늄과 산화바륨 입자를 전도성이 뛰어난 탄소 표면에 도입해 촉매 내부에서 전자 이동을 조절하는 방식으로 암모니아 합성 반응을 촉진한다. 반응 과정에서 수소는 루테늄 촉매 위에서 분해된 후 양성자와 전자로 다시 나뉘며 산화바륨이 양성자를 저장하고 전자는 루테늄과 탄소에 저장되는 구조를 통해 질소 분해 반응이 활성화된다.
연구팀은 이 촉매가 화학 축전지처럼 전자를 저장하고 방출하는 역할을 해 암모니아 합성 성능을 극대화하는 것을 확인했다. 또 탄소의 나노구조를 조절해 루테늄의 전자 밀도를 높임으로써 기존 최고 수준 촉매보다 암모니아 합성을 7배 높이는 데 성공했다.
최 교수는 “이번 연구는 전기화학이 아닌 열화학적 촉매 반응에서도 내부 전자 이동을 조절하면 촉매 활성을 획기적으로 높일 수 있음을 입증했다”며 “이를 통해 대규모 공장 중심의 암모니아 생산 방식에서 벗어나 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 소규모 분산형 생산이 가능해질 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스’에 게재됐다.
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