KAIST, 저농도 폐수에서 암모니아 생산하는 고효율 촉매 개발

KAIST는 강정구 신소재공학과 교수 연구팀이 전기를 이용해 저농도 질산염 수용액으로부터 암모니아를 생산하는 고효율 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다. 폐수의 배출을 줄이면서 산업용 화학물인 암모니아를 생산에 환경·경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구팀이 개발한 전기 촉매는 구리 금속 폼과 니켈-철 층상이중수산화물의 복합체로 구성돼 있다. 구리 폼은 질산염을 선택적으로 흡착하고 니켈-철 층상이중수산화물은 화학이나 생체반응을 통해 반응 중 생성된 중간체 수소 라디칼을 생성해 구리 폼에 전달해 질산염이 암모니아로 바뀌도록 효율적으로 진행한다.
구리, 철, 니켈 모두 귀금속과 비교해 지구에 풍부하고 비교적 저렴하므로 연구팀이 개발한 기술은 친환경적이고 경제적인 원천기술이다.

이 기술은 질산염을 통해 직접적으로 암모니아를 생산할 수 있을 뿐 아니라 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 실용적이다는 특성을 가진다.

김건한 박사가 제1 저자로 참여하고 더모트 오헤어 옥스포드대학교 화학과 교수 연구팀이 공동으로 참여한 연구팀의 이번 연구 결과는 에너지 및 환경 분야 국제 학술지 '에너지 환경 과학' 1월 24일자 온라인 게재됐다.

강정구 교수 연구팀은 표면적이 넓은 구리 금속 폼을 호스트로 사용해 저농도의 질산염이 효율적으로 흡착될 수 있도록 했다.

호스트인 구리 금속 폼에 수소 라디칼 생성이 가능한 니켈-철 층상이중산화물을 포함하는 '구리 금속 폼·니켈-철 층상이중수산화물' 복합체를 형성하였는데 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 "친환경적인 전기에너지를 이용해 질산염 환원법으로 암모니아를 생성하는 경우, 주로 메탄 리포밍을 통해 생산되는 값비싼 수소 기체를 이용하며 고온·고압의 반응 조건으로 유발되는 안전성 문제를 가진 하버-보쉬 공정을 효과적으로 대체할 수 있다"라며 "특히 반응 자리와 수소 라디칼 자리가 분리된 촉매 구조를 통해 저농도 질산염에서도 효율적으로 암모니아를 생성할 수 있기 때문에, 실제 강물, 하천, 공장 폐수에 포함돼있는 질산염을 농축시키는 과정 없이도 효율적으로 암모니아를 생산할 수 있어 질산염을 통한 암모니아 생산의 상용화에 이바지할 것이다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다.


여용준 글로벌이코노믹 기자 dd0930@g-enews.com