'고농도 상태' 작용 전해질 기반으로 암모니아 생성

국내 연구진이 특정 부분에서 고농도 상태처럼 작용하는 특별한 전해질을 기반으로 그린 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다. 암모니아는 최근 수소 에너지를 저장 및 운송하는 매개체로서 탄소 배출을 줄일 고부가가치 물질로 주목받고 있다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 특정 부분에서 고농도 상태처럼 작용하는 특별한 전해질을 기반으로 그린 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다. 암모니아는 최근 수소 에너지를 저장 및 운송하는 매개체로 탄소 배출을 줄일 고부가가치 물질로 주목받고 있다. 

포스텍은 용기중 화학공학과 교수, 윤혜주·임채은 통합과정생 연구팀은 윤용주 포스텍 화학공학과 교수팀, 서동화 KAIST 신소재공학과 교수팀과 함께 저농도에서도 고농도와 유사한 용매화 구조를 만드는 전해질을 개발해 그린 암모니아를 생산하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 

암모니아를 생산하는 기존의 ‘하버-보쉬(Haber-Bosch)’ 공정은 400~500℃의 고온과 200바(압력의 단위, 1bar는 대기압의 약 0.98배)의 고압 환경이 필요하다. 이같은 환경을 조성해야 하는 하버-보쉬 공정으로 인해 전 세계에 매년 6억톤(t)에 달하는 이산화탄소가 배출돼 환경에 큰 부담을 주고 있다. 

환경 문제를 해결하기 위해 업계에서는 리튬 기반 질소 환원 반응(Li-NRR)을 활용한 전기화학적 암모니아 생산 연구가 활발하다. 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. 하지만 Li-NRR은 온실가스를 배출하지 않아 기존 공정보다 친환경적이지만 안정성과 생산 효율이 비교적 낮았다. 

이같은 문제를 해결하기 위해 연구팀은 반응이 일어나는 ‘고체 전해질 계면(SEI)’의 성질을 개선해 반응물의 선택성과 안정성을 높였다. SEI는 전극 고체 표면 막으로서 Li-NRR 반응에서 전해질 요소의 반응물로 이뤄져 있다. 

연구팀은 SEI 성질을 개선하기 위해 전해질의 ‘용매화 구조’에 주목했다. ‘용매화 구조’란 용매의 분자가 이온 또는 분자같은 용질 둘러싸는 배열이나 구조를 뜻한다.

연구팀은 Li-NRR 반응 용매로 사용되는 '테트라하이드로퓨란(THF)'에 '테트라플루오로에틸 테트라플루오로프로필 에테르(TTE)'를 혼합해 저농도에서도 고농도와 유사한 용매화 구조를 만드는 국소 고농도 전해질(LHCE)을 개발했다. 전해질의 전체 농도는 낮지만 이처럼 첨가제를 더해 일부 구역에서는 고농도 전해질처럼 작용하도록 설계한 것이다.  

LHCE는 기존의 저농도 전해질보다 질소 용해도가 높고 물질 전달 속도가 빨라 암모니아 생산에 필요한 전기 에너지의 효율을 나타내는 패러데이 효율이 기존에 비해 2배 이상 향상됐다. 패러데이 효율은 전기화학 반응시 가해준 일정 전하량 대비 실제 생성물의 생성 효율을 말한다. 또 리튬 염이 많은 고농도 전해질과 비교했을 때도 에너지 소비와 비용을 줄이면서 경제성과 생산성에서 뛰어난 결과를 보였다. 

특히 연구팀이 개발한 전해질을 사용하면 SEI 무기 성분 비율이 증가해 SEI의 안정성과 반응 효율이 향상됐다. 이를 통해 12시간 동안 안정적으로 암모니아를 생산하는 데 성공했다. 

용 교수는 ”높은 반응 효율과 안정성 등 고농도 전해질의 장점을 유지하면서 리튬 사용량을 줄여 비용을 절감했다는 점에서 큰 의미가 있다“라고 말했다. 

서 교수는 “배터리 연구에서 사용되는 국소 고농도 전해질을 암모니아 생산에 적용하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 특정 물질이 용매화에 참여하지 않는 현상을 확인할 수 있었다”라고 전했다. 

<참고자료>
-https://doi.org/10.1002/adma.202408280

[이채린 기자 rini113@donga.com]