미세먼지 원인물질인 일산화질소(NO)를 탄소배출 없이 100% 순수한 암모니아(NH3)로 전환시키는 기술이 나왔다. 이렇게 만들어진 암모니아는 최근 각광받고 있는 청정수소 저장체로 활용할 수 있어서 탄소중립시대를 앞당길 1석 2조 기술로 기대를 모으고 있다.
UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과의 권영국 교수팀은 임한권 교수팀, KAIST(총장 신성철) 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.
그림1. ACS Energy Letters 표지
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.
본 연구를 주도한 권영국 교수는 “액상 암모니아는 액화수소보다 단위 부피당 더 많은 수소를 저장 할 수 있어 수소 저장과 운송에 유리하다”며 “이번 기술 개발이 본격적인 수소 시대 개막을 앞당기는데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
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.
그림2. 촉매 시스템을 활용한 질소 순환 모델 개념도
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 기대했다.
이번 연구는 재료공학·전기화학 분야의 세계적 권위지인 ‘ACS Energy Letters’ 속표지논문으로 선정돼 11월 13일에 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단, UNIST, 울산시 등의 지원으로 이뤄졌다.
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