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  • 기사등록 2020-12-01 12:00:04
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[기계신문] 비료, 의약품, 섬유 등 다양한 용도로 인간의 삶의 중심이 되어온 암모니아는 탄소중립사회 구현을 위한 수소에너지의 저장체로 새롭게 각광 받고 있다.


수소 저장체로서의 암모니아는 무게대비 수소저장용량이 17.7wt%로 다른 액상 수소 저장체보다 월등히 높다. 또한, 수소를 방출할 때 질소 이외에 다른 부산물이 없다는 점에 친환경적이며, 기존 암모니아 수송 인프라를 활용할 수 있다는 점에서 높은 경제성 및 호환성을 자랑한다.


현재, 암모니아 대량 생산 기술은 고온·고압의 조건에도 낮은 효율 그리고 대량의 이산화탄소를 배출하기 때문에, 이에 대한 대체기술로 상온·상압 및 신재생에너지 활용 친환경 암모니아 합성기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.


그런데 최근 미세먼지 원인물질인 일산화질소(NO)를 탄소배출 없이 100% 순수한 암모니아로 전환시키는 기술이 나왔다. 이렇게 만들어진 암모니아는 최근 각광받고 있는 청정수소 저장체로 활용할 수 있어서 탄소중립시대를 앞당길 1석 2조 기술로 기대를 모으고 있다.



▲ 연구팀이 개발한 촉매 시스템을 활용한 질소 순환 모델 개념도. 개발된 전기화학적 변환시스템을 이용해 지속 가능한 ‘질소 기반 수소 사이클’을 구축할 수 있다. 신재생에너지 유래 전기 에너지를 이용해 미세먼지 전구체인 일산화질소(NO)를 유용한 암모니아로 변환시키고 이 암모니아를 비료 생산 및 수소 사회의 그린수소 저장체로서 활용하는 것이다.



UNIST 에너지화학공학과 권영국 교수팀은 임한권 교수팀, KAIST 김형준 교수팀과 미세먼지 전구체인 일산화질소 원료를 상온·상압에서 100% 암모니아로 변환시키는 전기화학시스템을 개발했다. 금속착화합물(FeIIEDTA)을 투입해 전해질속에서 일산화질소를 흡착하는 역할을 함으로써 일산화질소 용해도가 100배 이상 개선되고 부산물도 생성되지 않았다.


기존의 전기화학적 변환기술은 일산화질소가 전해질에 잘 녹지 않아 반응속도가 매우 느렸고, 일산화질소끼리 짝을 이뤄(N-N Coupling) 질소기체(N2) 등이 생성되는 부반응 부산물이 많아 활용성이 떨어졌다.


이번 기술은 기존의 암모니아 생산 공정(하버 보슈 공법)이 온실가스인 이산화탄소를 배출하는 단점도 극복했다. 또 공정 반응을 유도하기 위한 고온·고압의 복잡한 설비와 비용 부담도 크게 개선할 수 있을 전망이다.


권영국 교수는 “액상 암모니아는 액화수소보다 단위 부피당 더 많은 수소를 저장할 수 있어 수소 저장과 운송에 유리하다”며 “이번 기술 개발이 본격적인 수소 시대 개막을 앞당기는데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.



▲ 은 평면 전극을 나노구조화 시키는 과정(a)과 주사전자현미경 이미지(b). 염소 이온(Cl-)을 삽입 후 탈염소화 작업을 통해 정교한 나노 구조를 형성시켰다.



이번에 개발된 전기화학 시스템은 표면에 나노 구조가 형성된 은(Silver) 촉매 전극에서 100시간 이상 100%에 가까운 일산화질소-암모니아 전환율을 보였다. 뿐만 아니라 용해도와 반응선택성을 높이는 금속착화합물도 철 기반 물질이라 안정성이 매우 높고 재사용이 가능하다.


예비경제성타당성 검사를 수행한 임한권 교수는 “잉여 신재생 전기에너지를 활용하면 개발된 시스템이 장기적으로 기존 암모니아 생산 공법과 견줄만한 경제성을 갖출 수 있을 것”이라고 설명했다.


권 교수는 “미세먼지 계절관리제 시행과 질소산화물 환경부담금으로 배출원의 경제적 부담이 가중되고 있다”며 “미세먼지 원인을 제거하는 동시에 그린수소 저장체인 암모니아를 생산하는 기술로 경제적 부담을 완화시킬 수 있을 것”이라고 강조했다.



▲ FeIIEDTA가 NO와 결합하여 은 (Silver) 전극 표면에서 암모니아가 생성되는 반응의 메커니즘 연구 자료



일산화질소(NO)는 일반적으로 연소 과정에서 질소가 산화되어 발생되는 질소산화물(NOx)의 한 종류로써, 그 자체로도 호흡기관련 질환을 유발하며 2차적으로 대기 중에 노출되어 미세먼지, 광화학스모그, 산성비 및 오존층파괴와 같은 여러 환경문제들을 야기하는 대표적인 대기오염물질이다.


특히, 중국과 인도와 같이 경제적으로 급성장하고 있는 나라들의 경우, 과도한 산업활동으로 인해 대량의 질소 산화물이 배출되어 미세먼지를 유발하여 주변국들에까지 직접적으로 지대한 영향을 미치고 있다.


이러한 일산화질소를 암모니아 전환에 활용된다면, 미세먼지를 줄이고, 탄소중립사회 구현을 위한 그린 암모니아 기반 수소 저장 기술 등 환경 및 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 기술로 수소 경제시대를 앞당길 수 있을 전망이다.


한편, 이번 연구는 한국연구재단, UNIST, 울산시 등의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 결과는 재료공학·전기화학 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 속표지논문으로 선정돼 11월 13일에 출판됐다.



▲ ACS Energy Letters 표지. 나노 구조가 형성된 은 전극(촉매) 표면에서 금속착화합물(FeIIEDTA)에 흡착된 미세먼지 전구체 NO가 100% 암모니아로 변환되는 과정 모식도. 다공성 구조의 판이 나노 구조가 형성된 은 전극이다. 복잡한 구조의 분자 모델 모형은 NO가 결합된 FeIIEDTA의 모습을 형상화했다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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