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한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀은 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

암모니아(NH3)는 비료, 화학, 염료, 의약품 등 다양한 분야에 활용되는 화합물로, 쉽게 액화되는 성질이 있어 최근 수소를 저장하는 운반체로 주목받고 있다.

하지만 100년 전 개발된 하버-보슈 암모니아 합성 공정은 고온·고압(500도, 100∼300기압) 조건이 필요해 에너지가 많이 들고, 화석연료에서 유래한 그레이수소를 사용해 환경오염의 주요 원인으로 지적되고 있다.

이에 그린수소를 이용해 저온·저압 조건에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

신재생에너지 전력을 이용해 수전해 방식으로 만들어내는 그린수소는 생산 과정에서 탄소를 배출하지 않아 청정 연료로 불린다.

다만 현재 기술로는 암모니아 생산성이 낮아 이를 해결하는 것이 과제다.

연구팀은 루테늄 촉매와 강한 염기성을 갖는 산화바륨 입자를 전도성이 높은 탄소 표면에 도입, 마치 축전지(전기에너지를 양전하와 음전하로 나눠 저장하는 장치)처럼 작동하는 신개념 촉매를 도입했다.

암모니아 합성 반응 과정에서 수소 분자(H₂)는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해되며, 수소 원자는 다시 양성자와 전자로 한 번 더 분해 된다. 이어 산성을 띠는 양성자는 강한 염기성을 띠는 산화바륨에 저장되고, 남은 전자는 루테늄과 탄소에 분리 저장된다.

이 같은 화학 축전 현상을 통해 전자가 풍부해진 루테늄 촉매는 촉매 활성을 비약적으로 높이는 것으로 나타났다.

연구팀이 개발한 촉매는 300도, 10기압 조건에서 기존 최고 수준 촉매에 비해 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 나타냈다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 카탈리시스'(Nature Catalysis) 지난달 24일 자에 실렸다.

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