[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

암모니아(NH3)는 합성비료의 주원료로서 인류의 기근을 막은 공헌을 한 화학물질이다. 합성비료 이외에도 화약, 플라스틱, 의약 등의 제조에 필요한 기초물질로서 전 세계에서 황산 다음으로 가장 많이 생산된다. 암모니아는 지난 100여 년간 식물의 3대 영양소 중 하나인 질소를 활용하기 위해 만들어졌다.

최근에는 지구온난화 문제를 해결하기 위해 탄소 배출이 없는 친환경 연료 및 미래 친환경에너지인 수소를 효과적이고 경제적으로 저장·운송할 수 있는 매개체로 각광받고 있다.

암모니아는 액화수소보다 수소 저장 밀도가 1.7배 높아 많은 양의 수소를 저장할 수 있다. 또한 상온·상압에서 액화하기 쉽기 때문에 운송과 유통이 용이하다. 이러한 특성으로 인해 암모니아는 수소경제를 위한 중요한 물질로 각광받고 있으며 수요가 증가할 것으로 전망된다.

암모니아는 지난 100여 년간 하버-보쉬법으로 대량생산 해 왔다. 하버-보쉬법은 철 촉매를 이용하여 400 ℃-100 기압 이상의 조건에서 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 방법이다. 이 방법은 고온-고압반응 특성상 “중앙집중형” 초대형생산 설비가 필요하며, 수소 공급을 위해 천연가스와 물을 분해하는 과정에서 이산화탄소를 배출한다. 따라서 수소 경제와 연계하기 어렵다. 많은 연구팀이 반응 특성을 개선하기 위해 노력하고 있지만, 열화학적 반응은 여전히 상당한 온도와 압력을 요구한다. 본 연구팀은 수소 경제를 위한 암모니아는 재생에너지 생산단지에 연결할 수 있는 “분산형” 저온·저압 합성 기술이 필요하다고 판단했다.

본 연구팀은 저온·저압에서 암모니아를 합성할 수 있는 새로운 기술을 세계 최초로 개발하였다고 Nature Nanotechnology에 발표했다 (Nature Nanotechnology. 2021, 16, 325–330). 이 기술은 물리적으로 유도된 기계화학적 힘을 이용하여 상온·상압에서 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 방법이다. 이번 연구는 기계화학적 암모니아 합성법의 성능을 향상시키기 위해 새로운 반응촉진제를 찾은 후속 연구이다.

2. 연구내용

질소는 삼중 결합으로 매우 안정하므로 결합을 끊으려면 많은 에너지가 소모된다. 기존의 암모니아 합성법인 하버-보쉬법은 철 촉매와 산화칼륨(K2O) 반응촉진제를 사용한다.

그러나 산화칼륨(K2O)에 들어있는 산소는 질소의 결합을 끊는 것을 방해하여 철 촉매의 성능을 낮춘다. 산소가 없는 순수 칼륨(K)을 반응촉진제로 사용하면 이 문제를 해결할 수 있지만, 고온에서 칼륨은 철 촉매에 부착되지 않고 휘발하므로 적용하기 어렵다.

본 연구팀은 이전 연구에서 저온·저압에서 암모니아를 합성할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하여, 본 연구에서는 산화칼륨 대신 순수 칼륨을 반응촉진제로 사용하여 질소의 결합을 더 효율적으로 끊었다.

이 방법으로 산화칼륨보다 약 30% 더 높은 촉매 성능을 보였다. 또한, 철 촉매만 사용했을 때보다 암모니아 수율이 94.5%로 향상되었으며, 기존의 기계화학법의 반응 조건(350 r.p.m.)을 100 r.p.m.으로 낮춰도 암모니아 합성이 가능했다.

3. 기대효과

하버-보쉬법은 고온·고압과 낮은 암모니아 수율(최대 25%)로 인해 경제성을 높이기 위해 “중앙집중형” 초대형공장에서 대량 생산한다. 이 과정에서 원료 및 암모니아의 저장과 운송에 추가적인 비용이 들고, 암모니아 유통의 경제성이 낮아지고 가격 변동성이 커진다. 이런 이유로 수소경제와 연계하기 어렵다.

기계화학적 암모니아 합성의 효과는 다음과 같다.

• 암모니아 합성의 에너지 효율이 크게 증가한다. 저온저압에서 암모니아를 합성하면 에너지 소모를 줄일 수 있다.
• “분산형”으로 현장생산이 가능하여 암모니아 유통의 경제성과 안전성이 향상된다. 이는 암모니아의 저장과 운송에 따른 비용과 위험을 감소시킬 수 있다.
• 분산형 암모니아 합성기술은 신재생에너지와 결합하면 수소경제의 확대와 다양화에 기여할 수 있다. 암모니아는 탄소 배출이 없는 친환경 연료로도 사용할 수 있고, 수소를 저장하고 운송할 수 있는 매개체로도 활용할 수 있다. 저온저압에서 암모니아를 합성하면 이러한 용도에 적합한 암모니아를 공급할 수 있다.

따라서, 본 연구는 암모니아의 생산과 사용을 혁신적으로 바꿀 수 있는 기술이라고 할 수 있다.

본 연구팀은 저온·저압의 반응을 이용해 현장에서 암모니아를 합성할 수 있는 모듈화된 공정을 개발하는 것이 최종 목표이다. 본 연구에서는 고효율 촉매를 이용하여 낮은 r.p.m.에서도 암모니아 합성이 가능함을 입증했다. 이는 대량생산을 위한 모듈화 공정에 중요한 기여를 한다. 본 연구팀은 이 기술로 암모니아 생산과 유통의 혁신을 주도하고자 한다.

[붙임] 용어설명

1. 밀링 속도(milling speed)

기계화학법의 대표적인 기법인 볼밀링 공정에서 사용하는 용어. 밀링 속도는 볼밀링 장치의 회전 속도.

[붙임] 그림설명

그림 1. 각 촉매 (Fe, Fe(K+O), FeK) 의 온도에 따른 활성도 차이.

철-칼륨(FeK) 촉매가 상온에서 가장 높은 활성도를 보이는 것을 이론적으로 예측할 수 있다. 그러나 철-칼륨 촉매는 400 ℃ 이상의 고온에서 칼륨이 증발하여 철 촉매의 활성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 따라서 철-칼륨 촉매는 하버-보쉬법과 같은 고온 공정에서는 적합하지 않았다.

그림 2. 철-칼륨 촉매와 철 촉매 질소흡착 및 수소흡착 성능 차이.

회전 속도 (r.p.m.)에 따른 질소흡착량 차이 그래프. 400 r.p.m.에서 질소가 가장 많이 흡착된 것을 확인할 수 있다. b. 에너지 소모량 대비 질소흡착량 차이 그래프. c. 회전 속도 (r.p.m.)에 따른 암모니아 생성량 차이 그래프. 회전 속도가 높아질수록 암모니아 생산량이 증가한다. d. 초기 수소량에 따른 최종 암모니아 농도 차이 그래프.

그림 3. 최근에 보고된 분산형 암모니아합성법 성능 비교

기계화학법>>열화학법>>광화학법>>전기화학법 등의 순으로, 이번 연구에서 칼륨 반응촉진제를 활용한 기계화학 암모니아 합섭법이 압도적인 성능을 보여줌.