100시간 동안 성능 저하 없이 안정적
환경·에너지 문제 해결 열쇠 될 것
(서울=내외방송) 수소 운반체로 큰 주목을 받고 있는 암모니아를 친환경적이면서도 경제적인 방법으로 합성할 수 있는 방법이 개발됐다.
KAIST(한국과학기술원)는 "최민기 생명화학공학과 교수와 김형준 화학과 교수 공동연구팀이 알칼리/알칼리 토금속(은백색 또는 회색의 금속) 조촉매(촉매의 활성도를 높이는 물질)의 작동 기작 규명을 통해 저온과 저압 조건에서도 암모니아 합성을 할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다"고 최근 밝혔다.
기존 암모니아 합성은 화석 연료에서 생산한 수소와 공기에 존재하는 질소를 분리해 고온과 고압 조건에서 이뤄지기 때문에 많은 이산화탄소 방출과 에너지 소모가 발생하는 문제점이 있었다.
하지만, 연구팀은 산화마그네슘(알칼리 토금속) 촉매(화학적으로 변하지 않고 다른 화학 반응 속도에 영향을 주는 물질) 지지체 위에 저온과 저압에서도 반응이 활발한 산화바륨(알칼리 토금속) 조촉매와 루테늄(알칼리 금속) 촉매를 합성해 숙원으로 여겨졌던 조촉매-촉매 계면 구조를 완벽하게 규명했다.
다양한 분석과 계산과학을 병행해 촉매를 분석한 결과 루테늄 촉매 위에 수소가 흡착되면 산화바륨 조촉매의 촉매 활성도도 증진됐다.
루테늄 촉매의 수소 피독(촉매 활성화가 떨어짐) 현상이 산화바륨 조촉매를 만나면서 해결된 것이다.
수소 분자(원자들이 모여 생성)가 루테늄 촉매 위에서 흡착과 동시에 분해되면 수소 원자가 산화바륨과 루테늄의 경계면에서 다시 양성자(양전하)와 전자(음전하)로 분해되는데, 이때 생성된 전자가 루테늄 촉매에 축적돼 전자 밀도를 크게 높였다.
밀도가 높아지면 질소 분자의 분해 속도를 빠르게 할 수 있어 저온과 저압 조건에서도 암모니아 생산 속도를 증진시킬 수 있다는 원리다.
이 원리를 활용해 연구팀은 산화바륨 조촉매-루테늄 촉매 경계면 형성이 극대화된 촉매를 새롭게 설계했다.
새로운 촉매는 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적으로 암모니아 생산이 가능했고, 단순한 공정이기 때문에 경제성이 높아 상용화 가능성도 크다고 연구팀은 기대하고 있다.
최 교수는 "알칼리/알칼리 토금속 조촉매-금속 촉매 계면 조절을 통한 고성능 저온·저압 암모니아 합성 촉매 개발은 암모니아 생산에서 경제성을 크게 증진할 뿐 아니라 환경과 에너지 부족 문제에 적극적으로 대응할 수 있을 것"이라고 말했다.
백예준 생명화학공학과 박사과정과 권민재 화학과 학생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국에너지기술연구원 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지인 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 최근 온라인 게재됐다.
