[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

암모니아(NH3)는 비료, 폭발물, 플라스틱 및 기타 화학 물질에 가장 중요한 산업 공급 원료 중 하나이다. 2019년 전 세계에서 매년 약 1억 4천만 톤의 암모니아가 생산되었으며, 암모니아는 세계 10대 화학 물질 중 하나이다. 현재 가장 많이 이용되고 있는 암모니아 합성법은 400-500도 및 100 bar 이상에서 질소(N2)와 수소(H2)로부터 합성하는 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정1)이다. 하지만 이 공정은 높은 온도와 높은 압력을 동시에 필요로 하고, 이산화탄소를 발생시킨다. 전 세계에서 쓰는 에너지의 1~2% 가량이 암모니아 생산에 쓰이고 있으며, 인류가 배출하는 이산화탄소의 약 3%가 이 공정에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 기존의 공정을 대체하기 위한 새로운 암모니아 합성 방법을 찾는데 많은 연구가 진행되고 있지만 불행하게도 오늘날의 암모니아 합성은 100년 전과 동일한 기본 구성을 갖고 있다.

2. 연구내용

본 연구진은 쇠구슬의 물리적인 힘을 이용하여 기계화학적 반응을 일으키는 볼밀링법(Ball-milling)으로 암모니아 대량생산의 가능성을 열었다. 볼밀링법은 용기에 쇠구슬과 반응물질들을 같이 넣고 밀폐시킨 후, 빠른 회전속도를 주어 충격을 일으켜 생성물질을 만들어 내는 방법이다. 본 연구에서는 쇠구슬과 철 촉매를 넣고, 질소가스와 수소가스를 차례로 주입하여 암모니아를 기존 공법보다 저온 및 저압에서 높은 수득률 (82.5%)로 생산하였다.

기존의 암모니아 생성 공법인 하버-보슈공정은 높은 온도 (400-500도)와 100 bar 이상의 가혹한 조건을 이용하고 있으나 100년 동안 대체할 수 있는 공정법이 개발되지 않았다. 또한 암모니아의 합성을 위해서는 매우 높은 활성화 에너지2)를 필요로 하기 때문에, 반응 속도가 매우 느리다. 하지만 암모니아 합성의 효율을 높이기 위해서는 반응속도가 빨라야 하기 때문에 온도를 높여 주어 반응의 속도를 촉진시킬 경우, 평형을 잃게 되어 수율이 떨어지게 된다. 따라서 이를 모두 절충한 온도가 400-500도 이며, 수율을 높이기 위해 고압 조건을 사용한다.

본 연구에서는 이러한 조건을 대체 할 수 있는 볼밀링 법을 제시하여 철 구슬이 회전하는 운동에너지를 이용하여 조건을 완화시켰다.

3. 기대효과

본 연구를 통해 기존의 암모니아 합성 방법인 하버-보슈 공정을 대체하여 암모니아를 대량 생산할 수 있는 새로운 공정을 산업에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구팀의 볼밀링 법은 실제 암모니아를 필요로 하는 곳의 현장에서 직접 생산할 수 있는 현장(on-site)생산 방법이라 운송과 저장의 공정이 생략될 수 있어 비용 절감에 큰 역할을 할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1.하버-보슈 (Haber-Bosch) 공정

질소와 수소로부터 철을 촉매로 사용하여 고온, 고압에서 암모니아를 대량으로 합성하는 방법.

3H2(g)+N2(g) -> 2NH3(g)+에너지 

2.활성화 에너지

화학 반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 말한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 볼 밀링법(Ball-milling)을 통한 암모니아 생성 과정 모식도

철가루가 볼 밀링 과정 중에 생긴 충돌로 인하여 활성화된 후, 주입된 질소가스와 수소가스와 만나 암모니아를 형성한다. 파란색 구조체는 쇠구슬이 굴러가는 통속에 포함된 철가루 입자이다. 왼쪽 그림은 철가루가 충돌에너지에 의한 활성화된 상태를 나타낸다.

그림2. 실제 암모니아 생산에 사용된 쇠구슬(A)과 암모니아 생산(볼 밀링) 장비(B)

쇠구슬의 탄성이 우수해 지속적으로 기계적 에너지를 이용한 화학반응을 일으킬 수 있다.

그림3. 볼 밀링(Ball-milling)법을 통한 암모니아 생성과 이를 고체 형태(암모늄염)로 수득하는 과정. 생성된 암모니아 가스가 HCl과 결합하여 고체상태의 ‘암모늄염’을 얻을 수 있다. (관련 영상 첨부)