KAIST(총장 이광형)는 강정구 신소재공학과 교수팀이 전기를 이용해 저농도 질산염 수용액으로부터 암모니아를 생산하는 고효율 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 연구는 김건한 옥스퍼드대 화학과 박사(KAIST 신소재공학과 졸업생)가 제1 저자로 참여했다.
 

이 기술은 질산염을 통해 직접적으로 암모니아를 생산할 수 있으며, 기존 질산염 환원의 가장 큰 문제였던 저농도 질산염 수용액에서도 좋은 성능을 갖는다. 실제 하천이나 강물, 혹은 여러 질산염을 배출하는 저농도 폐수를 이용해 암모니아를 생산할 수 있어 경제적이고 실용적이다.

현재 암모니아 생산은 대부분 '하버-보쉬 공정'을 통해 생산된다. 이 공정은 고온·고압의 합성 조건을 전제로 하므로 안전성 문제를 갖고, 고가의 수소 기체를 반응물로 이용하므로 경제성 문제를 동시에 유발한다. 이에 대한 대안으로 친환경적이며 값싸고 풍부한 질소 기체를 직접 전기로 환원시키는 '전기화학적 질소 환원법'이 있으나, 수용액에 대한 낮은 용해도와 강한 질소-질소 삼중결합으로 인해 낮은 효율성을 지닌다.

반면 전기에너지를 이용해 질산염을 암모니아로 환원시키는 '전기화학적 질산염 환원법'은 수용액에 잘 녹는 질산염과 상대적으로 더 약한 질소-산소 결합에너지로 질소 환원법보다 더 높은 효율을 갖는다. 다만 기존의 질산염 전기 촉매는 경쟁 반응인 물 환원 반응으로 인해 암모니아로의 환원 효율이 떨어진다는 단점을 갖는다. 

또 실제 하천이나 강물, 질산염을 배출하는 폐수의 경우 약 10mM(밀리몰) 이하의 낮은 농도의 질산염을 포함하는데, 저농도에서 촉매 특성이 급격히 떨어진다는 특성이 있다. 이에 연구팀은 표면적이 넓은 구리 금속 폼을 호스트로 사용해 저농도의 질산염이 효율적으로 흡착될 수 있게 했다.

연구팀은 호스트인 구리 금속 폼에 수소 라디칼 생성이 가능한 니켈-철 층상이중산화물을 포함하는 '구리 금속 폼/니켈-철 층상이중수산화물' 복합체를 형성했다. 이를 통해 니켈-철 층상이중수산화물의 전기전도도가 낮아 질산염 환원이 일어나는 전압에서 수소-수소 결합을 통한 수소가스(H₂)를 생성하지 않고 효율적으로 수소 라디칼(H)을 물로부터 만들 수 있었다.

강정구 교수는 "반응 자리와 수소 라디칼 자리가 분리된 촉매 구조를 통해 저농도 질산염에서도 효율적으로 암모니아를 생성할 수 있다"라며, "실제 강물, 하천, 공장 폐수에 포함돼있는 질산염을 농축시키는 과정 없이 효율적으로 암모니아를 생산할 수 있어 질산염을 통한 암모니아 생산의 상용화에 이바지할 것이다"라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제 학술지 '에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science)'에 1월 24일자로 게재됐다.

[참고자료]
Energy-efficient electrochemical ammonia production from dilute nitrate solution : https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d2ee03461a