[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍은 한국에너지공과대(KENTECH)와 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 차세대 '그린 암모니아' 생산 기술 효율을 획기적으로 끌어올리는 데 성공하며 학계의 주목을 받고 있다고 20일 밝혔다.

암모니아는 비료·연료·화학 산업 전반에 필수적인 물질로, 전 세계에서 연간 2억t 생산한다.

그러나 대부분 500도 이상의 고온과 200 기압 이상의 고압이 필요한 '하버–보슈(Haber–Bosch)' 공정을 거쳐 생산한다.

생산 과정에서 발생하는 탄소는 전 세계 배출량의 1.4%를 차지한다.
 
탄소중립 시대를 맞아 암모니아를 친환경적으로 생산할 기술 개발은 시급한 과제로 떠올랐다.

최근 주목 받는 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 발생했다.

연구팀은 이러한 한계의 원인을 전극 표면의 전기 이중 층에서 발생하는 음이온 반발 현상에서 찾았다.
 
전극 표면에 마치 '보이지 않는 교통 체계'처럼 전하가 모이는데, 애초의 구조에는 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 형성돼 반응에 유리한 환경이 만들어지고 불필요한 부반응은 크게 줄었다.

실험 결과는 눈에 띄게 개선돼 암모니아 생성에 쓰인 전기의 효율을 나타내는 '파라데이 효율(Faradaic efficiency)'은 90%를 넘겼고, 생성 속도는 애초보다 2배로 향상됐다.
 
이러한 성과는 다양한 리튬염(LiBF₄·LiClO₄·LiTFSI)과 전압 조건에도 일관되게 확인됐으며, 장시간 반응에서도 안정성이 유지됐다.

용기중 포스텍 교수는 "탄소를 배출하지 않는 암모니아 생산 기술의 상용화를 앞당기는 발판이 될 것"이라며 "비료 생산 과정의 탄소 배출을 줄이고, 재생 에너지로 생산한 전기를 암모니아 형태로 저장하고 운송하는 새로운 에너지 시스템 구축에도 이바지할 것"이라고 강조했다.

이 연구는 포스텍 화학공학과 용기중 교수·통합 과정 임채은씨 연구팀, KENTECH 에너지공학부 김우열 교수·통합 과정 손유림씨 연구팀, KAIST 신소재공학과 서동화 교수·통합 과정 권민준씨 연구팀이 공동으로 수행했고, 한국연구재단 탄소제로그린암모니아사이클링 선도연구센터사업의 지원으로 진행했다.

국제 에너지 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 게재됐다.


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