대구대학교(총장 윤재웅)는 나노전기화학연구실 심준호 교수 연구팀이 최근 친환경 암모니아 생산을 위한 차세대 전기촉매를 개발했다고 14일 밝혔다. 연구성과는 최근 세계적인 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 게재됐다.
암모니아는 전 세계 비료 생산의 핵심 원료이자, 미래 수소경제를 이끌어갈 에너지 저장 및 운반체로 주목받는 물질이다. 하지만 기존의 암모니아 생산 방식은 고온·고압의 극한 조건이 필요해 에너지 소모가 컸고 이산화탄소를 다량 배출하는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 최근 상온·상압 환경에서 전기를 이용해 암모니아를 만드는 '친환경 생산 기술'이 활발히 연구되고 있다. 그러나 공기 중의 질소는 구조가 매우 안정적이어서 암모니아로 변환하기 어렵고, 이 과정에서 수소가 먼저 만들어지는 현상(경쟁반응) 때문에 생산 효율이 떨어진다는 한계가 존재했다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 질소가 풍부한 탄소 기반 나노소재에 두 종류의 금속 산화물을 결합한 새로운 '하이브리드 촉매'를 개발했다. 연구팀은 촉매 내부의 전자 이동을 정밀하게 제어하는 기술(계면공학)을 적용하여 질소의 반응성을 높이고 불필요한 수소 발생을 효과적으로 억제하는 데 성공했다.
개발된 촉매는 장시간 반응에서도 안정적인 성능을 유지하며 높은 에너지 효율을 달성했다. 연구팀은 질소 동위원소 추적실험을 통해 생성된 암모니아가 실제 질소에서 유래했음을 증명했으며, 전북대학교 김도환 교수 연구팀과의 공동연구로 진행된 이론적 계산(DFT)을 통해 촉매 내부의 반응 원리도 명확히 규명했다.
특히 이번 연구에는 대구대 화학과 일반대학원 석사 졸업생인 이은경 씨가 제1저자로, 카니쉬카 학생이 공동연구원으로 참여해 의미를 더했다. 학생 연구원들이 주도적으로 진행한 연구가 영향력 지수(IF) 10을 훌쩍 넘는 세계 최상위권 학술지에 잇달아 게재되며 대구대의 기초과학 연구 역량을 증명했다는 평가다.
심준호 교수는 “친환경 암모니아는 미래 수소경제와 탄소중립 사회를 실현하기 위한 핵심 에너지 자원”이라며 “이번에 제시한 새로운 촉매 설계 전략이 향후 친환경 비료 생산은 물론 차세대 에너지 시스템 구축에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하고 한국연구재단이 지원하는 이공분야 개인기초연구지원사업(중견연구)의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
