[붙임] 연구결과개요

1.연구배경

암모니아(NH3)는 연간 1억 5천만 톤 이상 생산되며, 비료, 산업 원료 등으로 널리 사용되는 필수 화학물질이다. 최근에는 높은 수소 함량(17.6%)과 상온·상압에서의 쉬운 저장·운송 특성 덕분에 차세대 수소 운반체로도 주목받고 있다. 특히 액체 상태로 저장할 수 있고 폭발 위험이 상대적으로 낮아, 에너지 저장·운반 측면에서 압축 수소(H2, 35 MPa)보다 안전하고 효율적이다.

그러나 현재 암모니아의 대부분은 하버-보슈(Haber–Bosch) 공정을 통해 고온(400 ℃), 고압(200 bar) 조건에서 생산되고 있으며, 이 과정에서 막대한 화석 연료가 소비되고 지구 온난화를 유발하는 CO2가 대량 배출된다. 실제로 하버-보슈 공정은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 1.4%를 차지하며, 산업 전체 에너지 소비의 1% 이상을 차지할 정도로 환경 부담이 크다.

한편, 질산염(NO3⁻)은 비료 사용이나 산업·생활 폐수로부터 발생하여 하천, 호수, 지하수 등에 유입되는 대표적 수질 오염물질이다. 질산염은 유아청색증(메트헤모글로빈혈증), 위장암, 각종 심혈관계 질환 등을 유발해 인체에 심각한 위해를 줄 뿐만 아니라, 부영양화를 일으켜 조류 번식을 가속화하고 수생 생태계를 교란한다. 세계보건기구(WHO)는 음용수 내 질산염 농도를 엄격하게 규제하고 있지만, 산업·농업 활동이 증가하면서 질산염 농도가 기준을 초과하는 사례가 여전히 발생하고 있다. 따라서, 질산염을 제거하면서 동시에 이를 자원화하여 에너지원으로 전환할 수 있는 기술은 환경 문제와 에너지 문제를 함께 해결할 수 있는 획기적인 대안으로 각광 받는다.

특히 외부 전력을 사용하지 않고, 재생 가능한 태양에너지를 활용해 질산염을 친환경적으로 암모니아로 환원하는 기술은 화석연료 의존도를 낮추고 탄소 중립 사회 실현에 기여할 수 있는 핵심 전략으로 주목된다. 그러나 태양광 기반의 광전기화학 시스템은 광전환 효율, 선택도, 반응 안정성 등 기술적 한계가 여전히 존재해, 이를 극복할 수 있는 혁신적인 재료와 시스템 설계가 요구된다.

2.연구내용

이번 연구에서는 무전원 태양광 기반으로 질산염을 친환경적으로 환원해 암모니아를 생산할 수 있는 결정질 실리콘 광전기화학 시스템을 개발했다. 연구팀은 폐수 속 질산염이 가지는 환경적 위해성과 동시에 암모니아의 친환경 에너지 운반체로서의 잠재성에 주목하여, 질산염을 자원화하면서 수질 정화와 탄소중립에 기여할 수 있는 새로운 전략을 제시하고자 했다.

본 연구에서 핵심적으로 사용된 결정질 실리콘 광전극은 지구상에서 가장 풍부하고 상용화된 태양광 소재이며, 우수한 전하 이동 특성과 안정성을 지녔다. 여기에 니켈(Ni) 포일을 촉매로 적용했는데, 알칼리 조건에서 니켈이 자발적으로 니켈 하이드록사이드(Ni(OH)2)로 변환되면서 질산염 환원 반응(Nitrate reduction reaction, NO3RR)에 뛰어난 선택성과 활성을 발휘할 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 실험적으로뿐만 아니라 밀도 범 함수이론(Density functional theory, DFT) 계산을 통해서도 Ni(OH)2가 경쟁 반응인 수소 발생 반응(HER)을 억제하고, 질산염의 환원 경로를 선택적으로 조절한다는 사실을 규명했다.

또한 니켈 포일은 단순히 질산염 환원의 촉매로 기능할 뿐만 아니라, 실리콘 광전극을 전해질 환경으로부터 보호하는 캡슐화 역할을 수행함으로써 장시간 운전 시 광전극의 부식이나 성능 저하를 방지했다. 이를 통해 기존 PEC 시스템이 직면했던 낮은 선택도와 불안정성 한계를 극복할 수 있었다.

연구팀은 개발한 시스템을 통해 세계 최고 수준인 554 μg cm-2 h-1의 암모니아 생성 속도를 달성(이전 세계 최고 수준 353.1 μg cm-2 h-1)했으며, 태양광-암모니아 전환 효율(STA efficiency)도 3.8%를 기록했다.

특히 25 cm2 규모의 대면적 장치에서도 동일한 성능을 검증해, 실질적인 상용화 가능성을 확인했다. 더 나아가 장시간(51시간) 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동함을 확인함으로써, 본 기술의 산업 적용 잠재력을 뒷받침했다.

결과적으로 본 연구팀은 태양광만을 활용해 폐수의 대표 오염물질인 질산염을 고부가가치의 친환경 에너지원인 암모니아로 전환함과 동시에, 장기적인 수질 개선과 재생에너지 활용을 모두 충족할 수 있는 고성능·고안정성 PEC 시스템을 제시했다. 앞으로는 실제 산업·농업 폐수 현장에 적용할 수 있도록 대형화·실증 연구를 이어나갈 계획이다.

3.기대효과

연구팀이 개발한 ‘무전원 태양광 기반 질산염 환원 시스템’은 기존 광전기화학 기술의 낮은 선택성과 불안정성 한계를 극복하면서, 친환경 에너지원인 암모니아를 높은 효율로 생산할 수 있는 새로운 해법으로 주목된다. 실리콘-니켈 포일 기반의 PEC 시스템은 하버-보슈 공정의 막대한 에너지 소비와 온실가스 배출 문제를 줄일 수 있는 지속가능한 대안 기술로 평가된다.

이 기술은 외부 전력 없이 햇빛만으로 질산염을 암모니아로 전환해 에너지 비용과 탄소배출을 동시에 줄이고, 수질 정화와 재생에너지 활용이라는 두 가지 환경 문제를 함께 해결할 수 있다. 산업·농업 폐수에서 나오는 유해 질산염을 고부가가치 자원으로 바꾸는 점에서도 경제적 가치가 높다. 실제 대면적 장치에서도 우수한 성능을 보여, 향후 산업 현장 적용 가능성도 크다.

[붙임] 용어설명

1.질산염(NO3⁻)

질산염은 비료, 폭약, 화약 등 산업·농업 공정에서 널리 사용되며, 하천이나 지하수로 유입될 경우 수질 오염을 유발한다. 특히 고농도 질산염은 유아청색증이나 위장암 등의 건강 문제를 일으키며, 부영양화를 촉진해 수생 생태계 교란을 초래할 수 있다.

2.암모니아(NH3)

암모니아는 산업·농업에 필수적인 화학물질로, 연간 1억 5천만 톤 이상 소비되고 있다. 특히 수소 운반체로서 주목받으며, 저장·운송이 용이하고 폭발 위험이 낮아 차세대 에너지 저장매체로 각광받는다.

3.광전기화학(Photoelectrochemical, PEC)

빛을 흡수해 발생한 전하를 이용해 물질을 산화·환원하는 전기화학적 반응 시스템. 태양광을 직접 화학에너지로 변환할 수 있어 차세대 청정에너지 기술로 주목받는다.

4.니켈 하이드록사이드(Ni(OH)2)

알칼리 조건에서 니켈 표면이 자연적으로 산화되며 형성되는 물질로, 질산염 환원 반응에서 경쟁적인 수소 발생 반응을 억제하고, 암모니아 생성 선택성을 높이는 효과가 있다.

5.하버-보슈 공정(Haber–Bosch process)

수소와 질소를 고온(400 ℃)·고압(200 bar) 조건에서 반응시켜 암모니아를 합성하는 산업 공정이다. 20세기 초 개발되어 현재까지도 전 세계 암모니아 생산의 95% 이상을 차지하지만, 막대한 화석연료 소비와 온실가스 배출 문제로 인해 친환경적 대체 공정이 요구되고 있다.

6.태양광-암모니아 전환 효율(STA efficiency)

태양광으로부터 발생한 전기에너지를 통해 암모니아를 생성하는 전체 공정의 효율을 나타내는 지표로, 생산된 암모니아의 에너지 함량을 투입된 태양광 에너지량으로 나누어 계산한다.

7.생산 속도 (μg cm⁻2 h⁻1)

광전기화학에서 생산물의 생산 속도는 보통 μg cm⁻2 h⁻1(마이크로그램퍼제곱센티미터퍼아워)의 단위를 사용하며, 해당 연구에서는 단위시간·단위면적당 얼마나 많은 암모니아가 생성되는지를 나타낸다. PEC 반응의 성능을 평가하는 핵심 지표이다.