UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 칼륨 반응 촉진제를 활용한 기계화학적 암모니아 수율 향상법을 개발했다.
암모니아(NH3)는 질소와 수소가 화학 반응으로 합성되는 물질로 비료나 화학 산업에서 광범위하게 사용되며 수소 운송체로 각광받고 있다. 암모니아는 액화수소보다 단위 부피당 수소 저장 밀도가 1.7배 높아 많은 양의 수소를 저장할 수 있다. 또한 자연 상태의 온도와 기압에서 쉽게 액화되기 때문에 운송과 유통이 용이하다.
먼저 암모니아를 합성하기 위해 삼중으로 구성된 질소의 기체 결합을 끊어야 한다. 1900년대 초부터 고온·고압의 조건에서 촉매를 이용해 질소와 수소를 반응시키는 하버-보쉬법을 사용해 암모니아를 대량생산 해 왔다. 특히 하버-보쉬법에서 철촉매의 활성을 촉진하는 산화칼륨은 고온에서 칼륨을 안정화시키는 역할을 한다. 하지만 산화칼륨에는 산소가 포함돼 있어 질소의 결합을 끊는 것을 방해해 철 촉매의 성능을 낮춘다는 문제점을 가진다.
그림1. 각 촉매 (Fe, Fe(K+O), FeK) 의 온도에 따른 활성도 차이
연구팀은 이를 개선하기 위해 기계화학적 방법을 활용한 저온·저압에서 암모니아를 합성하는 방법을 고안했다. 산화칼륨 대신 칼륨을 직접 반응 촉진제로 사용해 질소의 결합을 효과적으로 끊을 수 있었다. 연구팀은 이 방법으로 산화칼륨보다 약 30% 높은 촉매 성능을 달성했고 철 촉매만 사용했을 때(82.5%)보다 약 12% 높은 암모니아 수율(94.5%)을 달성했다. 또한 기존에 철 촉매만 사용했을 때 밀링 속도(350r.p.m.) 보다 3.5배 낮은(100r.p.m.) 밀링 조건에서 암모니아를 합성할 수 있었다.
그림2. 철-칼륨 촉매와 철 촉매 질소흡착 및 수소흡착 성능 차이
백종범 에너지화학공학과 교수는 “반응 촉진제를 통해 저온·저압에서 보다 효율적으로 암모니아를 생산할 수 있는 방법을 개발했다”며 “국소지역에서도 암모니아를 생산할 수 있는 암모니아의 탈중앙화를 가능하게 할 것”이라고 기대했다.
그림3. 최근에 보고된 분산형 암모니아합성법 성능 비교
암모니아 합성의 에너지 효율을 증가시키고, 기계화학법의 상업화를 가속화할 수 있는 새로운 기술을 제시한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 22일 게재됐다.
