▲ 미국화학회가 발간하는 ACS 에너지 회보 속표지, 카이스트 제공

국내 연구진이 대기 중 초미세먼지를 유발하는 골칫거리인 일산화질소(NO)를 사용해 최근 수소 저장체로 주목받는 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다.

KAIST는 건설및환경공학과 한종인 교수 연구팀이 UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 권영국 교수팀, 한국화학연구원(원장 이미혜) 환경자원연구센터 김동연 박사와 함께 일산화질소로부터 암모니아를 생산하는 고효율 전기화학 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다.

개발된 시스템은 비싼 귀금속 촉매 대신 값싼 철 촉매를 이용해 상온 및 상압 조건에서 세계 최고 수준의 전기화학적 암모니아 생산 속도를 기록했다.

일산화질소는 발전소, 산업용 보일러, 제철소 등 연소시설에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 대부분(95% 이상)을 차지하고 있는 유해 가스로, 호흡기질환 유발, 대기 중 오존 생성 등으로 배출량이 엄격히 규제되고 있다.

대부분 처리기술은 일산화질소의 제거에 초점을 맞췄다. 연구진은 버려지는 일산화질소의 가치에 주목해 일산화질소의 높은 반응성을 이용, 적은 에너지로 암모니아 생산 가능성을 봤다.

연구팀은 물에 잘 녹지 않는 한계를 극복하기 위해 기존의 철-킬레이트를 포함한 일산화질소 흡수제 사용 방식 대신 기체를 직접 전극에 주입하는 기체 확산 전극을 사용, 물질전달 속도를 획기적으로 늘렸다. 이로써 공정 소모 화학약품 비용을 줄이고 전기화학 셀 운전 발생 폐수 처리를 간편화했다.

나노 크기의 철 촉매를 전극에 도포해 부반응을 억제하고 암모니아에 대한 생성물의 선택도를 확보했다. 전기화학적 암모니아 생산 성능 결정 지표인 암모니아 생산 속도는기존 질소 활용 전기화학적 암모니아 생산 속도 범위를 100배 이상 단축했다.

또 기존 암모니아 생산 공정인 하버-보쉬법이 섭씨 400도, 200기압 이상의 고에너지 조건을 요구하는 데 반해, 전기화학 시스템은 상온·상압 조건에서 암모니아 생산이 가능해 공정 설비비용을 크게 줄일 수 있다.

이번 연구를 주도적으로 진행한 한 교수 연구팀의 천선정 박사과정은 “최근 탄소 중립 등 이슈가 확산하는 가운데 지속가능 기술개발 중요성이 커지고 있다”며 “대기오염의 원인을 효과적으로 제거, 탄소배출 없는 암모니아 연료를 생산해 새로운 관점으로 환경문제를 해결하고자 했다”고 전했다.

▲ 일산화질소를 암모니아로 업사이클링하는 과정을 보여주는 모식도