폐수에 햇빛 비춰 ‘그린 암모니아’ 생산

UNIST, 광전기로 질산염 환원해 암모니아 합성

일러스트=챗GPT 달리3

폐수 속 질산염을 고부가가치 에너지원인 암모니아로 바꾸는 기술이 나왔다. 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 없는 그린 암모니아를 만들고, 폐수 속 오염물질도 정화할 수 있게 됐다.

UNIST는 에너지화학공학과 서관용·장지욱 교수팀이 햇빛을 이용해 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

암모니아는 연간 1억 5000만t 이상 소비되는 산업·농업 필수 화학물질이자, 수소 함량이 높아 차세대 에너지 저장·운송체로 주목 받고 있다. 하지만 현재 암모니아는 그 생산량의 90% 이상을 고온·고압 조건의 하버-보슈 공정에 의존하고 있어 막대한 온실가스가 나온다.

연구팀은 태양광으로 이산화탄소 배출 없이 암모니아를 만드는 광전기화학(PEC) 시스템을 개발했다. 폐수 속 질산염을 원료로 하는 기술이다. 질산염은 고농도일 경우 청색증, 위장암 등을 유발하는데, 이 시스템은 질산염을 선택적으로 환원시켜 암모니아로 바꾼다.

이 시스템은 실리콘 광전극과 니켈포일촉매로 구성돼 있다. 실리콘 광전극이 햇빛을 받아 전자를 만들면, 이 전자가 니켈 촉매를 통해 질산염 환원 반응을 유도하게 된다.

니켈 촉매 표면에 얇게 생기는 니켈 하이록사이드가 수소 발생 같은 경쟁 반응을 억제하고 암모니아 선택성을 높이는 데 주효한 것으로 분석됐다. 최근수 UNIST 물리학과 교수는 니켈과 니켈 하이록사이드 표면에서의 질산염 환원 경로와 에너지 장벽을 비교 분석해, 니켈 하이록사이드가 암모니아 생성에 유리한 활성점을 제공한다는 사실을 확인했다.

실험 결과, 이 시스템은 외부 전원 없이도 시간당 1㎝²에서 554μg(마이크로그램·1μg는 100만분의 1g)의 암모니아를 생산해, 광전기화학(PEC) 기반 기술 중 세계 최고 수준의 성능을 기록했다고 연구진은 밝혔다. 이는 기존 최고 성과(353㎍)보다 57% 이상 향상된 수치다. 또 25㎝² 규모의 대면적 장치에서도 동일한 성능이 유지돼, 실제 응용 가능성도 입증됐다.

서관용 교수는 “오염물질인 질산염을 차세대 에너지원인 암모니아로 바꾸면 수질 정화와 탄소중립을 동시에 달성할 수 있다”며 “향후 실리콘 기반 광전기화학 장치를 실제 야외에서도 암모니아를 생산할 수 있는 대면적 장치로 제작해 실증하는 연구를 계획 중”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 6월 22일 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’에 온라인 공개됐다.

참고 자료

Advanced Materials(2025), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202506567

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