[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

아산화질소(N2O)는 이산화탄소보다 310배 높은 지구온난화지수(GWP)를 지니며, 대기 중에서 120년 이상 잔존하며 기후변화와 오존층 파괴를 동시에 유발하는 대표적 온실가스다. 질산·아디프산 생산, 암모니아 엔진, 디젤 엔진 등 다양한 산업 공정에서 배출되고 있으나, 화학적으로 매우 안정해 기존 열촉매 공정으로는 400~600 ℃ 이상의 고온을 유지해야만 분해가 가능하다. 이로 인해 막대한 에너지 소모와 설비 비용이 발생하는 한계가 있었다. 최근 유럽연합(EU)이 Euro Ⅶ 배출가스 규제를 통해 N2O를 신규 규제 대상으로 포함하는 등, 저온·저비용으로 N2O를 처리할 수 있는 대안 기술 개발의 필요성이 커지고 있다.

2.연구내용

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기계화학(Mechanochemistry) 을 활용한 새로운 N2O 분해 기술을 개발했다. 연구팀은 니켈산화물(NiO) 촉매와 N2O 기체를 반응 용기에 넣고 회전시키는 방식(볼밀)을 적용해, 볼의 충격·마찰로 촉매 표면을 고결함(Highly defective) 및 초산화(ultra-oxidized) 상태로 전환시켰다. 이 독특한 비평형(non-equilibrium) 표면 상태는 기존 열촉매 공정으로는 불가능했던 저온 환경에서도 N2O를 빠르게 분해하도록 촉진한다.

그 결과, 공정은 42 ℃의 온화한 조건에서 N2O 전환율 99.98%와 시간당 1,761 mL의 분해 속도를 달성했으며, 동일 촉매를 사용한 열촉매 공정(445 ℃, 전환율 49.16%, 294.9 mL h−1) 대비 에너지 효율을 6배 이상 향상시켰다. 또한 다양한 산업 배기가스 조성(질산·아디프산 공정, 자동차 배출가스 등)에서도 안정적으로 작동했고, 연속식 볼밀(Continuous mill)을 활용한 대규모 실험에서도 높은 전환율과 장시간 반응 안정성을 유지했다. 경제성 분석 결과, 기계화학 공정은 기존 열촉매 방식보다 약 8배 높은 비용 효율성(134.14 mmol $−1 vs 16.23 mmol $−1) 을 보여 실산업 적용에 유리함을 입증했다.

3.기대효과

이번 기술은 기존 열촉매 공정 기반 N2O 처리의 한계를 극복해 저온·저비용으로 온실가스를 제거할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다. 특히 에너지 소비 비용을 크게 절감할 수 있어 산업 플랜트의 배기가스 정화, 디젤 차량 및 암모니아 엔진 배출가스 처리 등 다양한 분야에 적용 가능성이 높다. 또한 강화되는 국제 환경 규제(Euro Ⅶ 등) 에 대응할 수 있는 핵심 기술로, 탄소중립 달성 및 글로벌 온실가스 감축 전략에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 나아가 기계화학이 합성 화학을 넘어 환경 유해가스 처리 분야까지 확장될 수 있음을 입증한 점에서도 학문적·산업적 의의가 크다.

[붙임]  용어설명

1.기계화학(Mechanochemistry)

화학 반응을 전통적인 열, 빛, 전기 에너지 대신 기계적 힘(충돌·마찰 등) 으로 유도하는 기술. 용매 없이 반응이 가능해 친환경적이며, 기존 전통적 화학 공정의 한계를 극복할 수 있음.

2.Euro Ⅶ 배출가스 규제

유럽연합(EU)이 2027년부터 전면적으로 시행 예정인 최신 차량 배출가스 규제. 아산화질소(N2O)가 새롭게 규제 대상에 포함돼 자동차 업계에 새로운 대응책이 필요함.

[붙임] 그림설명 

그림1. 기계화학 공정으로 아산화질소를 질소와 산소로 분해하는 반응 모식도. 볼밀 반응기에 질코니아 볼, 니켈 산화물 촉매, 아산화질소 (N2O, 빨강+파랑) 가스를 넣고 함께 흔들어 주게 되면, 아산화질소 분자가 질소(N2, 파랑)와 산소(O2, 빨강) 분자로 분해되게 된다.

그림2. 기계화학적 아산화질소 분해 공정 실용성 입증

(a) 플래네터리 (Planetary)와 로터리 (Rotary) 볼밀 사진.

(b) 아디프산 및 질산 생산 공정, 자동차 배기가스에 대해 100%에 가까운 전환율 달성.

(c) 250mL의 반응규모를 15L의 파일럿 규모로 스케일업.

(d) 어트리션 (Attrition) 볼밀 기반의 연속 공정 시스템.

(e) 장시간 높은 아산화질소 분해율 안정적으로 유지.

(f) 디젤 엔진 배기가스 처리를 위한 실제 시스템 구축.

(g-i) 짧은 시간 내 (2분 이내) 빠르고 효율적인 아산화질소 저감 달성.