[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

암모니아는 전 세계에서 2번째로 많이 생산되는 화학 물질로써 연간 1억 8천만 톤이 생산되며, 주로 농업용 비료, 화학 제품, 청정연료 및 수소 저장체로 사용된다. 하지만 현재까지 산업용 암모니아 생산의 90% 이상이 하버-보슈 공정을 통해 이루어지고 있으며, 이 과정은 전 세계 에너지 소비량의 1~2%를 차지하고, 이산화탄소 배출의 1.4%를 유발하는 심각한 환경문제를 안고 있다.

따라서, 많은 과학자들이 친환경 암모니아 생산에 집중하고 있으며, 전기화학적 질산염 환원을 통한 암모니아 생산은 폐수 속에 풍부한 질산염을 원료로 하며, 태양광 에너지를 통해 생성된 전기에너지로 구동이 가능하기 때문에 지속가능한 미래기술로 촉망받고 있다.

하지만, 현재 태양에너지를 이용한 광전기화학적 질산염 환원 반응은 낮은 태양광-암모니아 생산 속도 (Solar-to-Ammonia Yield Rate)로 인해 실용화를 하는데 상당한 어려움이 있다. 낮은 태양광-암모니아 생산 속도의 원인으로는 크게 질산염 환원 반응에서의 낮은 암모니아 선택도 (패러데이 효율), 산소 발생 반응 (Oxygen Evolution Reaction, OER)의 높은 열역학적 요구 전압 및 태양전지의 낮은 출력 광전류가 있으며, 이러한 문제점들을 창의적으로 극복하여 낮은 태양광-암모니아 생산속도를 극복할 필요가 있다.

2.연구내용

연구팀은 먼저 질산염 환원 반응을 아질산염 환원 반응으로 대체했다. 폐수 속에는 질산염 뿐만 아니라 아질산염도 상당량이 포함되어 있으며, 암모니아 생산을 위해 8개의 전자 교환 과정을 필요로 한 질산염 환원 반응에 비해 아질산염 환원 반응은 6개의 전자 교환 과정을 필요로 하기 때문에 에너지 효율이 높고 높은 암모니아 생산 패러데이 효율과 생산속도를 달성할 수 있다는 데서 착안했다.

연구팀이 개발한 루테늄-도핑 코발트 나노튜브 촉매 (RuCo-NT/CF)는 폐수 속에 포함된 질산염(NO3-)과 아질산염(NO2-) 중 아질산염을 선택적으로 환원함으로써 99.6% 라는 높은 패러데이 효율을 달성했다. 또한, 질산염을 직접 환원하던 기존 방식보다 향상된 에너지 효율을 기록하며, 52.3%라는 현재까지 보고된 가장 높은 수준의 반쪽 셀 에너지 효율을 자랑한다.

연구팀은 또한 높은 전압을 요구하는 산소 발생 반응을 에틸렌 글리콜 산화 반응으로 대체했다. 에틸렌 글리콜은 값이 싸고 독성이 거의 없는 유기물이며, 에틸렌 글리콜 산화 반응은 산소 발생 반응에 비해 매우 적은 반응 전압을 요구로 한다. 또한, 에틸렌 글리콜 산화 반응을 통해 생산된 글리콜산은 $100-300 kg-1로 산소 발생 반응의 생성물인 산소보다 훨씬 고부가가치를 가지기 때문에 에너지 효율 뿐만 아니라 경제적으로도 이득이 된다. 에틸렌 글리콜 산화 반응을 이용함으로써 연구팀은 1 V 정도의 전압 감축을 달성하였다.

마지막으로 연구팀은 FA0.85Cs0.15PbI3 기반 페로브스카이트 태양전지를 이용하여 높은 광전류 밀도와 내구성을 확보하여 본 연구에서 극복해야 할 낮은 광전류의 문제점을 극복하였다. 이로써, 개발된 PV-EC 시스템은 기존 연구보다 태양광-암모니아 생산속도를 획기적으로 향상시켰는데, 이 시스템은 146 ± 1 μmol h-1cm-2의 세계 최고 수준 태양광-암모니아 생산속도를 기록하며, 기존 보고된 최고 수준 (<100 μmol h-1cm-2)보다 월등한 성과를 나타냈다. 특히, 이 시스템은 24시간 연속 가동 실험에서도 성능 저하 없이 작동하는 높은 내구성을 보였다. 또한, 실험실 수준을 넘어 실제 산업적 적용 가능성을 검증하기 위해 저준위 방사성 폐수를 모사한 전해질과 PET 플라스틱 폐기물을 활용한 실험에서도 성공적인 결과를 얻었다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 광전기화학적 시스템은 태양광과 폐기물을 활용하여 고부가가치 생성물인 암모니아와 글리콜산을 동시에 생산하였다는 점에서 지속가능한 탄소중립형 에너지 솔루션을 제시하는 사례이다.

본 기술은 향후 다양한 전기화학적 촉매 시스템과의 융합을 통해 더욱 효율적인 친환경 암모니아 생산 공정에 적용될 것으로 기대된다. 또한, 폐 유기물을 활용하여 고부가가치 화합물 생산이나 과산화수소 합성 등으로 확장될 수 있어, 차세대 친환경 사회 실현을 위한 핵심 기술로 활용될 전망이다.

[붙임]  용어설명

1.질산염 (또는 아질산염) 환원 반응

외부 전기에너지를 통해 전자를 받아 질산염 (또는 아질산염)을 암모니아로 전환하는 전기화학적 반응이다.

2.패러데이 효율

전기화학적 반응에서 전류를 사용해 원하는 반응을 얼마나 효율적으로 일으켰는지를 나타내는 지표이며, 총 사용된 전기에너지 중 원하는 반응에 쓰인 전기에너지의 비율이다.

3.에틸렌 글리콜 산화 반응 (EGOR)

외부 전기에너지를 통해 에틸렌 글리콜을 글리콜산, 폼산 등으로 전환하는 전기화학적 반응이다.

4.페로브스카이트 태양 전지

태양전지의 한 종류로, ABX3의 화학식을 가지는 페로브스카이트와 같은 결정 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양전지이다. 납이나 주석을 중심 금속으로 하는 유-무기 할로젠화물이 주로 사용된다.

5.태양광-암모니아 생산 속도 (Solar-to-Ammonia Yield Rate, μmol h-1cm-2)

태양광 에너지를 통해 암모니아의 생산 속도를 나타내는 지표이며, 태양전지의 단위면적 당, 시간 당 얼마만큼의 암모니아를 생산하는가를 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 태양광, 폐수, 폐플라스틱을 이용한 암모니아, 글리콜산 동시 생산 광전기화학 시스템 모식도.

본 시스템에서 위쪽의 FA0.85Cs0.15PbI3 페로브스카이트 태양전지가 태양빛을 받아 전자와 정공을 생산함. 생산된 전자는 왼쪽의 RuCo-nanotube 촉매로 보내져 질산염과 아질산염을 암모니아로 전환하는 반응에 사용되며, 정공은 오른쪽의 Pt-BiOCl 촉매로 보내져 에틸렌 글리콜을 글리콜산으로 전환하는 반응에 사용됨.