POSTECH, 촉매 1㎠으로 시간당 7.9㎎ 생산
산소의 빈자리 조절 통해 촉매 성능 향상
포항공과대학교(POSTECH)는 화학공학과·친환경소재대학원 김원배 교수팀이 암모니아 생산에 사용하는 촉매를 산소 빈자리 조절과 이종 원소를 첨가해 새롭게 개발했다고 22일 밝혔다. 이 기술은 하나의 질소에 세 개의 수소를 결합시킬때 필요한 촉매의 성능을 끌어올린 것이다.
청정에너지인 수소는 반응성이 매우 커 수소를 안전하고 효율적으로 저장하고, 운반할 방법이 필요하다. 하나의 질소에 세 개의 수소가 결합한 암모니아는 수소보다 안정성이 높고, 수소 밀도가 높아 수소의 저장 및 운반 매개체로 최근 떠오르고 있다.
암모니아를 생산하는 기존 공정은 많은 양의 에너지를 소모하고, 온실가스를 배출한다는 문제점이 있어 질산과 질산염을 이용한 친환경 기술이 대안으로 주목받고 있다. 하지만 질산염 환원 반응과 함께 발생하는 수소 환원 반응으로 인해 그린 암모니아 생산 효율이 떨어졌다.
연구진은 이를 극복하기 위해 먼저 아르곤 플라즈마 처리를 통해 구리 산화물 촉매의 산소를 일부러 제거해 '산소 빈자리'를 만들었다.
촉매를 구성하는 산소 음이온 하나가 사라지면, 촉매 표면에는 전기적 중성을 맞추기 위해 반응에 참여할 수 있는 자유전자가 풍부해진다. 또한 촉매 활성 부위가 넓어져 더 많은 반응 물질이 촉매와 접촉할 수 있게 된다.
연구진은 이 촉매에 질소와 셀레늄을 첨가한 탄소 지지체를 사용했다. 질소와 셀레늄은 질산염 이온의 질소와 탄소 결합을 약하게 만든다. 이를통해 질산염 이온이 훨씬 더 쉽게 촉매 표면에 달라붙도록 도와 수소 환원반응보다 질산염 환원 반응이 잘 일어나도록 했다.
이렇게 만든 촉매는 암모니아 생산 효율이 향상됐다. 패러데이 효율(FE) 측정 결과 87.2%로 기록됐다. 패러데이 효율은 전기화학적 반응에서 전자가 얼마나 효율적으로 암모니아 생산에 사용됐는지를 나타내는 지표다. 즉 패러데이 효율이 87.2%라는 것은 반응 중 사용된 전자의 약 87%가 암모니아 생산에 기여했다는 것을 의미한다.
한편, 이번에 개발한 촉매는 그 우수성을 인정받아 나노 공학 분야 국제 학술지 '스몰(Small)'의 표지 논문으로 게재됐다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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