[기계신문] UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀이 칼륨 반응 촉진제를 활용한 기계화학적 암모니아 수율 향상법을 개발했다.
암모니아(NH3)는 질소와 수소가 화학 반응으로 합성되는 물질로, 비료나 화학 산업에서 광범위하게 사용되며 수소 운송체로 각광받고 있다. 암모니아는 액화수소보다 단위부피당 수소 저장 밀도가 1.7배 높아 많은 양의 수소를 저장할 수 있다. 또, 자연 상태의 온도와 기압에서 쉽게 액화되기 때문에 운송과 유통이 용이하다.
먼저 암모니아를 합성하기 위해 삼중으로 구성된 질소의 기체 결합을 끊어야 한다. 1900년대 초부터 고온·고압의 조건에서 촉매를 이용해 질소와 수소를 반응시키는 하버-보쉬법을 사용해 암모니아를 대량 생산해왔다.
특히 하버-보쉬법에서 철 촉매의 활성을 촉진하는 산화칼륨은 고온에서 칼륨을 안정화시키는 역할을 한다. 하지만 산화칼륨에는 산소가 포함돼 있어 질소의 결합을 끊는 것을 방해해 철 촉매의 성능을 낮춘다는 문제점이 있다.
연구팀은 이를 개선하기 위해 기계화학적 방법을 활용한 저온·저압에서 암모니아를 합성하는 방법을 개발했다. 산화칼륨 대신 칼륨을 직접 반응 촉진제로 사용해 질소의 결합을 효과적으로 끊을 수 있었다.
연구팀은 이 방법으로 산화칼륨보다 약 30 % 높은 촉매 성능을 달성했고, 철 촉매만 사용했을 때(82.5 %)보다 약 12 % 높은 암모니아 수율(94.5 %)을 달성했다. 또한 기존에 철 촉매만 사용했을 때 밀링 속도(350 rpm)보다 3.5배 낮은(100 rpm) 밀링 조건에서 암모니아를 합성할 수 있었다.
백종범 교수는 “반응 촉진제를 통해 저온·저압에서 보다 효율적으로 암모니아를 생산할 수 있는 방법을 개발했다”며 “국소지역에서도 암모니아를 생산할 수 있는 암모니아의 탈중앙화를 가능하게 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
암모니아 합성의 에너지 효율을 증가시키고, 기계화학법의 상업화를 가속화할 수 있는 새로운 기술을 제시한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 22일 게재됐다.
한편, 연구팀은 저온·저압의 반응을 이용해 현장에서 암모니아를 합성할 수 있는 모듈화된 공정을 개발하는 것이 최종 목표다. 이번 연구에서는 고효율 촉매를 이용하여 낮은 rpm에서도 암모니아 합성이 가능함을 보였다. 이는 대량생산을 위한 모듈화 공정에 중요한 기여를 한다. 연구팀은 이 기술로 암모니아 생산과 유통의 혁신을 주도하고자 한다.
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