포스텍-KENTECH-KAIST, 전기로 만드는 '그린 암모니아' 생산 속도 2배 높인 기술 개발

포스텍(POSTECH)·한국에너지공과대학교(KENTECH)·한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 차세대 '그린 암모니아' 생산 기술 효율을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다.

포스텍은 용기중 화학공학과 교수, 통합과정 임채은 씨 연구팀이 김우열 KENTECH 에너지공학부 교수, 통합과정 손유림 씨 연구팀, 서동화 KAIST 신소재공학과 교수, 통합과정 권민준 씨 연구팀과 공동으로 친환경 암모니아 생산기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

왼쪽부터 용기중 포스텍 교수, 김우열 KENTECH 교수, 서동화 카이스트 교수

암모니아는 비료와 연료, 화학 산업 전반에 필수적인 물질로, 전 세계에서 연간 약 2억 톤이 생산된다. 하지만 대부분은 500도 이상의 고온과 200기압 이상의 고압이 필요한 '하버-보슈(Haber-Bosch)' 공정을 거치며, 이 과정에서 발생하는 탄소는 전 세계 배출량의 약 1.4%를 차지한다. 탄소중립 시대를 맞아, 암모니아를 친환경적으로 생산할 기술 개발은 시급한 과제로 떠올랐다.

최근 떠오른 대안 기술은 전기를 이용해 고온·고압 없이 암모니아를 만드는 '리튬 매개 질소 환원 반응(Li-NRR)'이다. 그러나 반응이 일어나는 리튬 전극 표면이 불안정해 전기 에너지 상당 부분이 암모니아 생성이 아닌 부반응으로 소모되는 문제가 있었다. 효율과 안정성 측면에서 한계를 극복하지 못했다.

기본 전해질(위의 그림)과 양이온 이오노머(아래 그림)를 첨가한 전해질의 Li-NRR 반응 비교

연구팀은 이러한 한계의 원인을 전극 표면의 전기이중층에서 발생하는 음이온 반발 현상에서 찾았다. 전극 표면에는 마치 '보이지 않는 교통 체계'처럼 전하가 모이는데, 기존 구조에서는 암모니아 생성에 필요한 음이온이 전극 가까이 접근하지 못하고 밀려나는 문제가 발생했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 전해질에 소량의 양전하 고분자 물질을 첨가해 전극 표면에 양전하 환경을 조성했다. 그 결과 음이온이 안정적으로 모일 수 있는 계면이 형성되면서, 반응에 유리한 환경이 만들어지고 불필요한 부반응은 크게 줄었다.

실험 결과는 눈에 띄게 개선됐다. 암모니아 생성에 쓰인 전기의 효율을 나타내는 '파라데이 효율(Faradaic efficiency)'은 90%를 넘겼고, 생성 속도는 기존 대비 두 배로 향상됐다. 이러한 성과는 다양한 리튬염과 전압 조건에서도 일관되게 확인됐으며, 장시간 반응에서도 안정성이 유지됐다.

용기중 교수는 “탄소를 배출하지 않는 암모니아 생산 기술의 상용화를 앞당길 중요한 발판이 될 것”이라며, “비료 생산 과정의 탄소 배출을 줄이는 것은 물론, 재생에너지로 생산한 전기를 암모니아 형태로 저장하고 운송하는 새로운 에너지 시스템 구축에도 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 한국연구재단 탄소제로그린암모니아사이클링 선도연구센터사업의 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 국제 에너지 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com

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