유니스트, 이산화탄소 없는 '그린 암모니아' 만드는 촉매 기술 개발

왼쪽부터 유니스트 에너지화학공학과 김효은 연구원과 이재성 교수, 나은철 연구원. 유니스트 제공

폐수와 햇빛으로 이산화탄소 배출 없이 수소 저장체로 주목받는 암모니아를 생산하는 기술이 개발됐다.

유니스트(UNIST·울산과학기술원)는 이재성 교수팀(에너지화학공학)이 햇빛을 이용해 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 광촉매 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 연구는 중국 사천 대학 허민 장(Hemin Zhang)교수, 한양대 장윤정 교수와의 협력을 통해 이뤄졌다.

이 기술은 햇빛을 받은 광촉매가 만든 전자(광전자)로 화학반응을 일으켜 질산염을 암모니아로 바꾸는 원리다.

비료 등의 원료로 알려진 암모니아는 최근 수소 운반저장체로 급부상하고 있다. 수소를 암모니아로 바꾸면 수소를 그냥 액화하는 것보다 약 1.7배 많은 수소를 저장할 수 있다. 또 기존 암모니아 액화 설비와 운송수단을 그대로 쓸 수 있어 더 경제적이다.

그러나 암모니아 생산 중 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 약 1.8%를 차지할만큼 많다. 대안으로 질소를 물에 녹여 전기분해 방법으로 ‘그린 암모니아’를 생산하는 기술이 주목받고 있지만, 질소가 물에 잘 녹지 않는데다 여전히 화석연료로 생산한 전기를 써야 하는 문제가 남아있다.

연구팀은 물에 잘 녹는 질산염의 특성을 활용한 해결방안을 내놨다. 전기 대신 자체 개발한 광촉매를 사용했다.

실험결과 이 광촉매를 활용해 아주 낮은 전암에서도 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 만들 수 있었다고 연구팀은 설명했다. 높은 반응 선택도는 광전자가 질산염 환원 반응에만 효율적으로 쓰였다는 뜻이다.

연구팀은 “실리콘 나노와이어가 고르게 정렬된 광촉매의 구조 특성과 나노와이어 표면에 잘 부착된 미량의 금 입자 성분 등 덕분에 높은 효율을 얻었다”고 전했다.

이재성 교수는 “암모니아 생산과정에서 나오는 이산화탄소도 잡고, 폐수 속 질산염도 처리할 수 있는 기술”이라며 “광촉매 효율성과 안전성을 보완한다면 지상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양광을 직접 활용하는 이상적인 그린 기술이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 독일의 와일리(Wiley) 사에서 발행하는 화학계 최고의 학술지 중 하나인 앙게반테케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 4월 5일자로 온라인에 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

울산=이보람 기자 boram@segye.com