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수소 경제 핵심, 세계 최고 수준 암모니아 촉매 개발
신재생 에너지를 이용한 수소 생산은 친환경 에너지 및 화학물질 생산의 핵심적인 기술이다. 하지만 이렇게 생산된 수소는 저장과 운송이 어렵기 때문에 탄소 배출이 없고, 액화가 쉬운 암모니아(NH3) 형태로 수소를 저장하려는 연구가 세계적으로 널리 진행되고 있다. 우리 연구진은 매우 낮은 온도와 압력에서도 에너지 손실 없이 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다.
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.
현재 암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용해 하버-보슈 공정이라는 100년이 넘은 기술로 생산되고 있다. 하지만, 이 방식은 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요해 엄청난 에너지를 소비하고, 세계 이산화탄소 배출량에서 상당한 비율을 차지하는 주범으로 지목됐다. 더구나 이렇게 생산된 암모니아는 대규모 공장에서 제조되기 때문에 유통 비용도 만만치 않다.
이에 대한 대안으로, 최근 물을 전기로 분해하는 기술인 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 이용해 저온·저압(300도, 10기압)에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정에 관한 관심이 급증하고 있다. 그러나 이러한 공정을 구현하려면 낮은 온도와 압력에서도 높은 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 개발이 필수적이며, 현재의 기술로는 이 조건에서 암모니아 생산성이 낮아 이를 극복하는 것이 핵심 과제로 남아 있다.
연구팀은 루테늄(Ru) 촉매와 강한 염기성을 갖는 산화바륨(BaO) 입자를 전도성이 뛰어난 탄소 표면에 도입해 마치 ‘화학 축전지(chemical capacitor)*’처럼 작동하는 신개념 촉매를 개발했다.
*축전지: 전기 에너지를 +전하와 –전하로 나누어 저장하는 장치
암모니아 합성 반응 도중 수소 분자(H2)는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해 되며, 이 수소 원자는 양성자(H+)와 전자(e-) 쌍으로 한번 더 분해되게 된다. 산성을 띠는 양성자는 강한 염기성을 띠는 산화바륨에 저장되고 남은 전자는 루테늄과 탄소에 분리 저장되는 것으로 밝혀졌다.
이처럼 특이한 화학 축전 현상을 통해 전자가 풍부해진 루테늄 촉매는 암모니아 합성 반응의 핵심인 질소(N2) 분자의 분해 과정을 촉진해 촉매 활성을 비약적으로 증진시키는 것으로 밝혀졌다.
특히 이번 연구에서는 탄소의 나노구조를 조절함으로써 루테늄의 전자 밀도를 극대화해 촉매 활성을 증진시킬 수 있음을 발견했다. 이 촉매는 300도, 10기압인 온건한 조건에서 기존 최고 수준의 촉매와 비교하여 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 나타냈다.
최민기 교수는 “이번 연구는 전기화학이 아닌 일반적인 열화학적 촉매 반응 과정에서도 촉매 내부의 전자 이동을 조절하면 촉매 활성을 크게 향상할 수 있음을 보여준 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다”고 밝혔다.
이어 “동시에 이번 연구를 통해 고성능 촉매를 활용하면 저온·저압 조건에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능함이 확인되었다. 이를 통해 기존의 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해지며, 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 더욱 유연한 암모니아 생산·활용이 가능해질 것으로 기대된다.”라고 설명했다.
생명화학공학과 최민기 교수가 교신저자, 백예준 박사과정 학생이 제 1 저자로 연구에 참여하였으며, 연구 결과는 촉매 화학 분야에서 권위적인 국제 학술지인 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 지난 2월 24일 게재됐다.
(논문명 : Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis, https://doi.org/10.1038/s41929-025-01302-z)
한편, 이 연구는 한국에너지기술연구원과 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.
2025.03.11 조회수 9933 -
신개념 나노발전기 원천기술 개발
- 나노복합체 이용해 복잡한 공정과 고비용 문제 해결 -- 어드밴스드 머터리얼스 6월호 표지논문 게재 -
우리 학교 연구진이 나노복합체를 이용해 나노발전기를 적은 비용으로도 대면적으로 만들 수 있는 원천기술 개발에 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 나노복합체를 이용한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발해 재료분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 6월호 표지논문에 게재됐다.
이번에 개발된 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 면적도 쉽게 제작 가능해 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복해냈다는 평가를 받고 있다.
나노발전기는 나노 크기(10억분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 ‘압전 효과’를 이용한다.
압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐으며, 2010년 미국의 유명한 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되기도 했다.
나노발전기 개발을 위한 압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 적용한 ‘산화아연(ZnO)’이 유일했다.
2010년 KAIST 신소재공학과 이건재 교수 연구팀은 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖고 있는 세라믹 박막물질인 ‘티탄산화바륨(BaTiO3)’을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨데 이어, 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공해 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현해낼 수 있게 됐다.
연구팀은 수백 나노 크기의 고효율 압전 나노입자인 ‘티탄산화바륨’과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 ‘탄소나노튜브’ 또는 ‘산화 그래핀(RGO)’을 폴리머(polydimethylsiloxane, PDMS)와 섞은 후 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했다.
이건재 교수는 “압전효과를 바탕으로 한 ‘나노자가발전 기술’은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있지만, 기존 기술은 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제 및 소자크기의 한계성을 극복하지 못했다”고 말했다.
아울러 “이번에 개발된 기술에 패키징 및 충·방전 기술을 융합하면, 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에 응용될 수 있다“고 덧붙였다.
한편, 이번 기술은 해외 1건, 국내 2건의 특허가 출원 및 등록됐다.
<동영상>http://www.youtube.com/watch?v=90rk7G3t30k&feature=player_embedded
압전 나노복합체 제작공정과 소자를 다양한 방법으로 구부릴 때마다 전기가 발생하는 것을 보여주는 동영상
※응용사례
- 에너지블럭(부산 서면역 적용)
지하철 선로에 압전소자를 적용해 전동차 운행으로 얻어지는 진동을 통해 발전하는 장치로 국내 최초의 압전에너지 상용화 제품http://blog.naver.com/ioyou64?Redirect=Log&logNo=130093513496
- 이스라엘은 고속도로에 압전발전기를 적용해 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있음
- 필립스는 사람이 리모컨 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 생산해 배터리가 없어도 작동되는 리모컨 개발
- 수 많은 나노 발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만든 재킷을 입으면 단순히 걷는 것과 같은 일상생활만으로도 휴대전화나 MP3 등을 충전할 수 있을 것으로 예상됨
- 아주 작은 전원만으로도 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발가능
※그림설명
그림1. 압전 나노입자를 포함하는 복합물질에서 구부림에 의해 전기가 생성되는 것을 보여주는 그림.
그림2. 구부러질 때마다 전기를 만드는 나노복합체 기반의 자가발전기(논문표지)
2012.06.12 조회수 24951