수소에너지 운반에 필수적인 암모니아 생산 효율을 높일 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 기존의 하버-보슈법으로 암모니아를 생산할 때보다 26% 정도 에너지를 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부는 한국과학기술연구원 한상수 계산과학연구센터장 공동연구팀이 새로운 전기화학적 암모니아 합성 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 과기정통부 미래소재디스커버리사업과 소재연구데이터플랫폼사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제학술지'Applied Catalysis B: Environment'에 게재됐다.
암모니아는 높은 수소 저장 밀도와 탄소를 배출하지 않는 특성 덕분에 친환경 수소에너지의 핵심 물질로 주목받고 있다. 문제는 암모니아 생산이 어렵다는 점이다. 널리 사용되는 암모니아 생산 공정인 하버-보슈법은 높은 온도(400~500˚C)와 압력(100~300기압)이 필요하기 때문에 에너지 소모량이 많다.
이를 해결하기 위해 전기화학적으로 암모니아를 생산하는 기술이 연구되고 있지만 투입 에너지 대비 생산되는 암모니아의 양이 매우 적은 상황이다. 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.
한상수 센터장 연구팀은 촉매 표면의 탄소유기물질을 제거하는 대신 반대로 이 탄소유기물질을 이용해서 촉매 표면에서 일어나는 화학반응을 촉진시킬 수 있는 방법을 찾아냈다.
연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 황화물계 촉매에 탄소유기물질인 티오요소(Thiourea)를 조촉매로 사용하게 되면 전기화학적 암모니아 합성 촉매 성능이 크게 향상될 수 있음을 발견했다. 티오요소를 니켈(Ni) 전극과 반응시켜 황화니켈(NiS) 촉매를 합성했고, 이렇게 만들어진 촉매가 세계 최고 수준의 촉매 성능을 보였다.
한상수 센터장은 "이번에 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 밝혔다.
참고자료
Applied Catalysis B: Environment, DOI : https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122485