은 이용해 암모니아 생산 효율 높인다

질소 환원 반응(Li-NRR)을 나타낸 그림. 서울대 제공

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

서울대는 황윤정 화학부 교수 연구팀이 은을 활용해 리튬을 사용한 '질소 환원 반응(Li-NRR)'의 생산 반응 효율을 높이는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 

Li-NRR은 리튬 배터리로도 친숙한 원소인 리튬을 매개로 비수계 조건에서 질소를 환원해 암모니아를 합성하는 방법이다. 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. 

연구팀은 Li-NRR 시스템에서 사용되는 구리 전극에 소량의 은을 넣어 암모니아 생산 효율을 높였다. 최근 Li-NRR과 작동 시스템이 유사한 리튬 배터리에서 전극에 친리튬 물질로 알려진 은을 도입해 성능 및 안정성을 향상시키는 연구들이 보고되고 있다. 연구팀은 이에 착안한 것이다. 

연구팀은 두 가지 전략을 통해 은 도입의 효과를 입증했다. 구리 전극에 갈바니 교체 반응을 통해 Li-NRR 반응 전 은을 전극에 미리 도입한 후 사용하는 방법과 Li-NRR 반응과 동시에 은이 도입되는 방법을 대조군과 비교했다. 은을 도입할 경우 최대 15.6%의 암모니아 패러데이 효율이 증가됨을 확인했다. 

갈바니 교체 반응은 서로 다른 두 개의 금속이 접촉하는 상태에서 물 같은 전해액에 있을 때 일어나는 반응을 가리킨다. 패러데이 효율은 반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 뜻한다. 

전극 표면을 살펴보니 은을 전극에 넣었을 때 Li-NRR 성능을 향상시킬 수 있는 물질로 알려진 불화리튬층이 두껍게 형성됨을 확인했다. 또한 전기화학분석을 통해 은과 리튬이 합금을 이루며 리튬 도금 및 박리와 관련된 과전압 및 전압 히스테리시스를 줄이는 것을 확인했다. 히스테리시스는 변화를 일으킨 물질이 원래 상태로 돌아오지 못하는 현상을 말한다. 기존 Li-NRR 연구는 리튬과의 합금은 성능을 감소시키는 것으로 알려져있었지만 소량의 합금은 이에 반해 성능을 향상시킬 수 있음을 밝혔다. 

연구팀은 "이번 연구는 전극이 집전체 이상의 역할을 할 수 있으며 정밀한 제어를 통해 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줌으로써 전극 재료 설계에 대한 새로운 통찰을 제시했다"면서 "금속이나 다른 재료로 전극을 개질하게 되면 Li-NRR 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 시사하고 추후 전극 재료 개발에 밑거름이 될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다. 연구결과는 7월 30일 에너지, 화학 분야 국제학술지인 미국화학회 에너지 레터스에 실렸다. 

[이채린 기자 rini113@donga.com]