[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

암모니아는 농업용 비료의 주원료로 전 세계 식량 안보를 책임지고 있는 물질이다. 실제 네이처 지오사이언스에 따르면 세계 인구의 약 절반은 암모니아 비료 덕분에 생존하고 있다. 암모니아로 만든 질소 비료가 없다면 식량 자원의 작황이 절반으로 줄어들기 때문이다.

최근에는 청정원료인 수소 저장 운반체로도 주목받고 있다. 암모니아는 질량의 17.6%가 수소로 구성돼 있어, 수소 저장 밀도가 높고 상온·상압에서 액체 상태로 존재할 수 있어 운송과 저장이 용이하기 때문이다. 액체 수소(수소 비율 100%)는 물론, 금속 수소화물(MgH₂, 수소 비율 약 7.6%), 메탄(CH₄, 수소 비율 25%) 등 다른 저장 매체에 비해 저장 효율성과 실용성이 뛰어나다는 평가를 받는다.

그러나, 현재 암모니아 생산의 주류인 하버-보쉬 공정은 400 ℃ 이상의 고온과 200 bar 이상의 고압 조건에서 운영되어 막대한 에너지를 소비하고 대규모 중앙집중식 설비를 필요로 한다. 이로 인해 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 2% 이상이 암모니아 생산 과정에서 발생하고 있다.

기계화학(mechanochemistry)은 저온·저압의 조건에서 암모니아 합성이 가능한 분산형 생산 방식을 구현할 수 있는 새로운 대안으로 주목받고 있다. 특히, 쇠구슬의 물리적 에너지를 활용하는 볼밀링 방식은 에너지 효율적인 암모니아 합성을 가능하게 한다. 그러나, 기존에 사용되던 칼륨(K)과 같은 화학적 촉진제는 공기에 민감하여 산업적 응용에 제약이 있어, 안정적이고 효율적인 물리적 촉진제 개발이 필요한 상황이다.

2.연구내용

본 연구에서는 질화규소(Si3N4)를 물리적 촉진제로 활용한 기계화학적 암모니아 합성법을 개발했다. 질화규소는 단단한 세라믹 물질로서 철 촉매 표면에 고밀도 결함을 생성하여 질소 분자 분해와 수소화 과정을 촉진하는 역할을 한다. 철 촉매에 3.0%의 질화규소를 첨가했을 때 촉진제 없는 철 촉매 대비 5.6배 높은 암모니아 합성 효율을 달성했다. 또한, 칼륨 촉진제 대비 안정적인 암모니아 생산 성능을 보였다.

다양한 분석기법을 통해 질화규소가 철 촉매에 미치는 영향을 규명했다. 질화규소의 물리적 촉진 메커니즘은 철 촉매 표면에 추가적인 결함을 생성하고, 이를 통해 질소 흡착 및 분해 능력을 향상시키며, 다양한 수소 흡착 사이트를 제공함으로써 효율적인 수소화 반응을 진행하는 것으로 밝혀졌다. 특히, 기존의 화학적 촉진제(K)와 달리 물리적 촉진제(Si3N4)는 반복 사용 시에도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 산업적 응용 가능성이 높다.

3.기대효과

이번 연구 성과를 통해 저온·저압 조건에서 에너지 효율적인 암모니아 생산 기술을 확립할 수 있을 것을 기대한다. 소규모 분산형 암모니아 생산 방식은 물류 비용 절감과 환경 영향 감소에 기여할 수 있다. 특히, 암모니아의 주요 응용처인 농업용 비료 생산의 접근성을 향상시킴으로써 전 세계 식량 안보에 기여할 수 있다.

또한, 암모니아의 높은 수소 함량(17.6%)을 활용한 수소 에너지 경제 발전에도 기여할 수 있다. 암모니아는 수소 저장 및 운반체로서 그 중요성이 커지고 있으며, 이 기술은 향후 청정에너지 전환에 기여할 것이다. 더불어 2050년까지 약 4,900만 톤이 발생할 것으로 예상되는 태양광 패널 폐기물에서 실리콘을 추출해 질화규소 생산에 활용함으로써 순환경제 모델 구현도 가능할 것으로 전망된다.

[붙임] 용어설명

1.하버-보슈(Haber-Bosch) 공정

1900년대 초 개발된 인공 암모니아 합성 기술로, 질소(N₂)와 수소(H₂)를 반응시켜 암모니아(NH₃)를 만드는 화학 공정이다. 질소는 대기 중에 풍부하지만, 매우 안정적인 삼중결합을 가지고 있어 자연 상태에서는 화학반응을 거의 하지 않는다. 하버-보슈 공정은 이를 고온(약 400~500℃), 고압(약 150~300기압) 조건에서 철 촉매를 이용해 인위적으로 반응시키는 방식이다.농업용 질소 비료의 대량 생산을 가능하게 해 전 세계 인구 증가와 식량 공급에 결정적 역할을 한 기술로 평가받는다. 이를 개발한 프리츠 하버(Fritz Haber)는 1918년 노벨 화학상을, 이 기술을 산업화한 카를 보슈(Carl Bosch)는 1931년 노벨 화학상을 각각 수상했다.

2.기계화학(mechanochemistry)

물리적인 힘(충격, 마찰)을 통해 화학반응을 일으키는 방법이다. 이 연구에서는 쇠구슬을 빠르게 회전시켜 발생하는 충격으로 암모니아를 합성했다.

3.볼밀링(ball milling)

단단한 구슬(쇠 혹은 지르코니아(ZrO2) 구슬 등)을 용기 안에서 빠르게 회전시켜 물질을 잘게 부수거나 혼합하는 기술이다. 이 연구에서는 암모니아 합성을 위한 기계화학 반응에 사용되었다.

4.결함(defect)

물질 표면이나 내부의 규칙적인 구조에서 벗어난 불규칙한 부분으로, 이 연구에서는 철 촉매 표면에 생긴 미세한 흠집이나 균열을 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 쇠구슬 충돌(볼밀링)에 의해 철 촉매 표면(주황색)에서 N₂와 H₂가 반응해 NH₃가 생성되는 과정. 충격파 위에 있는 파란색 구(질소)와 핑크색 구(규소)가 뭉쳐진 덩어리가 질화규소(Si₃N₄)다. 질화규소는 철 촉매 표면의 결함 밀도를 높여 반응을 촉진한다.

그림2. 기계화학적 암모니아 합성에서 결함 유도 촉진 메커니즘. 질화규소(Si3N4)가 철(Fe) 촉매 표면에 추가적인 결함을 생성해 암모니아 합성 효율을 높이는 메커니즘을 보여준다.

그림3. 물리적 촉진제의 성능 평가. 질화규소 촉진제가 실리콘 기반 물질 중 기계화학적 암모니아 합성에서 가장 뛰어난 촉진 효과를 보였다. 물리적 촉진제를 첨가한 철 촉매는 여러 차례 반복 사용해도 성능이 거의 저하되지 않는 안정적인 특성을 보였다. 반면, 화학적 촉진제인 칼륨(K)은 반복 사용할수록 활성이 감소했다.