농업용 비료 ‘암모니아’ 생산수율 5배 높였다

울산과기원, 질화수소 활용한 기계화학 생산공정 개발
질화규소로 암모니아 생산 향상..저온 저압서 생산 가능

쇠구슬 충돌에 의해 철 촉매 표면(주황색)에서 암모니아가 생성되는 과정. UNIST 제공

청정연료인 수소 저장 운반체로 주목받고 있는 암모니아의 생산 수율을 대폭 높일 수 있는 친환경 공정기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 백종범 에너지화학공학과 교수 연구팀이 소량의 질화규소를 이용한 기계화학적 암모니아 생산 공정을 통해 수율을 5.6배 높이는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

암모니아는 농업용 비료의 주원료로 전 세계 식량 안보를 책임지고 있는 물질이다. 수소 저장 밀도가 높고 상온·상압에서 액체 상태로 존재해 운송과 저장이 쉬워 수소 저장 운반체로 쓰이고 있다.

하지만 암모니아는 100년 넘게 ‘하버-보슈’ 공정으로 생산하고 있는데, 400도 이상의 고온과 대기압의 200배에 달하는 고압 조건에서 막대한 에너지를 필요로 한다. 생산 과정에서 이산화탄소 배출량도 많다.

연구팀은 쇠구슬을 밀폐된 용기 속에서 굴려 질소와 수소 분자가 촉매와 충돌하며 반응을 유도하는 ‘기계화학적 암모니아 생산’ 방식을 적용, 에너지 소비와 온실가스 배출을 획기적으로 줄였다. 특히 소량의 질화규소를 암모니아 생산 공정에 첨가해 생산 수율을 끌어 올렸다.

질화규소는 충격과 화학적 부식, 열에 강한 소재로, 장시간 촉매 성능을 유지해 준다. 아울러 태양광 패널에서 회수한 실리콘 원료로 만들 수 있어 재생에너지 폐기물의 자원화 가능성도 높다.

질화규소가 철 촉매 표면에 붙어 질소 분자 분해와 수소화 과정을 촉진하는 역할을 하기 때문이라고 연구팀은 설명했다.실제, 철 촉매에 3%의 질화규소를 첨가했을 때, 촉진제 없는 철 촉매 대비 5.6배 높은 암모니아 합성 효율을 달성했다.

백종범 UNIST 교수는 “이번 기술을 저온·저압에서도 암모니아 생산 효율을 크게 높일 수 있어 소규모, 분산형 생산에 적합하다”며 “질화수소 활용을 통해 태양광 폐기물까지 자원화할 수 있어 암모니아 생산의 탈탄소화와 자원 순환에도 기여할 수 있다”고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(지난 1일자)’ 온라인판에 실렸다.

백종범(오른쪽) 교수와 이재성 연구원 UNIST 제공

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr