수소경제 위한 그린암모니아 생산, '황'에서 새 가능성 발견

포스텍

용기중 포스텍 교수. 포스텍 제공

국내 연구진이 수소 전달체인 암모니아 생산 반응 효율을 높였다. 암모니아는 수소 함량과 에너지 밀도가 높아 친환경 수소 에너지 기술 분야에서 수소를 저장하고 운반하는 전달체로 주목받고 있다. 

포스텍은 용기중 화학공학과 교수 연구팀이 황(S)을 사용해 수소 전달체인 암모니아 생산 반응 효율을 높이는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 'ACS 에너지레터스'에 10월 26일 게재됐다.

현재 암모니아를 만드는 유일한 방법인 '하버-보시 공정'은 고온(400~500℃)과 고압(200~300atm) 환경이 필요하다. 이 때문에 세계 에너지 소모량 약 2%를 차지할 정도로 에너지 소모가 크며 연간 이산화탄소 약 6억톤(t)을 배출해 환경에 큰 부담을 주고 있다.

최근 리튬(Li)을 사용한 질소 환원 반응(Li-NRR)이 대안으로 떠오르고 있다. 대기 중 풍부한 질소 기체(N2)는 질소 2개가 삼중결합으로 붙어있어 반응성이 큰 리튬을 전극에 도금하면 강한 결합을 끊고 암모니아를 생산할 수 있다. 이 방법은 온실가스를 배출하지 않아 기존 공정보다 친환경적이지만 안정성과 생산 효율이 비교적 낮았다. 효율을 높이려면 전지 전극에 리튬을 균일하게 증착해야 하고 전극을 구성하는 고체 전해질 계면(SEI)의 안정성을 높여야 한다.

연구팀은 이번 연구에서 황을 사용했다. 황이 포함된 황화디메틸을 첨가하자 황산리튬(Li2SO4)과 황화리튬(Li2S) 분자가 형성되며 리튬 이온 이동이 원활해졌다. 이에 따라 리튬이 전지 전극에 균일하게 증착됐고 SEI 형태가 조밀하고 얇은 필름 구조에서 그물 구조로 바뀌었다. 이 구조는 이온 전도도를 높여 리튬이 더 균일하게 증착될 수 있도록 했다.

황은 SEI 전해질 분해와 열화현상을 막아 공정의 안정성을 높였다. 실험 결과 황을 첨가한 연구팀의 셀은 20시간 이상 사용한 후에도 기존 전지보다 2배 이상 높은 에너지 효율을 보였다.

이번 연구를 이끈 용기중 교수는 “암모니아를 보다 효율적으로 생산하는 이 연구가 친환경 수소 기술을 선점하는 데 큰 도움이 되기를 바란다”는 말을 전했다.

그린 암모니아 생산을 위한 리튬 매개 질소 환원 반응을 나타낸 모식도. 포스텍 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]