한국과학기술원(KAIST·카이스트) 연구진이 매우 낮은 온도와 압력에서도 에너지 손실 없이 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다.

최민기 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀은 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

신재생 에너지를 이용한 수소 생산은 친환경 에너지 생산의 핵심적인 기술이다.
그러나 이렇게 생산된 수소는 저장과 운송이 어려워 탄소 배출이 없고, 액화가 쉬운 암모니아(NH3) 형태로 저장하게 된다.

암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용해 하버-보슈 공정이라는 100년이 넘은 기술로 생산하는데, 이 기술에는 고온·고압(500℃·100기압) 생산과정에 따른 엄청난 에너지 소비, 다량의 이산화탄소 배출, 높은 유통 비용 등의 문제점이 있다.

이 때문에 최근 물을 전기로 분해하는 기술인 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 이용, 저온·저압(300℃·10기압)에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정이 주목받고 있다.
다만, 이 공정에는 저온·저압에서 높은 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 개발이 필수적이다.
현재 기술로는 이 공정을 통한 암모니아 생산성이 낮아 이를 극복하는 것이 핵심 과제다.

연구팀은 루테늄(Ru) 촉매와 강한 염기성을 갖는 산화바륨(BaO) 입자를 전도성이 뛰어난 탄소 표면에 도입해 마치 '화학 축전지(chemical capacitor)'처럼 작동하는 신개념 촉매를 개발했다.

암모니아 합성 반응 도중 수소 분자(H2)는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해 되며, 이 수소 원자는 양성자(H+)와 전자(e-)쌍으로 한 번 더 분해된다.
산성을 띠는 양성자는 강한 염기성을 띠는 산화바륨에 저장되고, 남은 전자는 루테늄과 탄소에 분리 저장된다.

이런 특이한 화학 축전 현상을 통해 전자가 풍부해진 루테늄 촉매는 암모니아 합성 반응의 핵심인 질소(N2) 분자의 분해 과정을 촉진, 촉매 활성을 비약적으로 증진시키는 것이다.

특히 이번 연구에서는 탄소의 나노구조를 조절해 루테늄의 전자 밀도를 극대화, 촉매 활성을 증진시킬 수 있음을 발견했다.
이 촉매는 300℃, 10기압의 온건한 조건에서 기존 최고 수준의 촉매와 비교해 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 나타냈다.

최민기 교수는 "이번 연구를 통해 고성능 촉매를 활용하면 저온·저압 조건에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능함이 확인됐다"면서 "기존 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해지고, 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 더욱 유연한 암모니아 생산·활용이 가능해질 것으로 기대된다"고 말했다.

최 교수가 교신저자, 백예준 박사과정 학생이 제1 저자로 연구에 참여했으며, 연구 결과는 촉매 화학 분야에서 권위적인 국제 학술지인 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 지난달 24일 게재됐다.
(논문명 : Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis)