KAIST, 저온·저압에서도 고효율 암모니아 ‘합성 촉매 개발’

KAIST(총장 이광형) 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 저온·저압 조건에서도 에너지 손실 없이 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다. 

이에 기존 대규모 공장 중심의 암모니아 생산 방식에서 벗어나, 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 분산형 소규모 생산이 가능해질 전망이다.

11일 KAIST에 따르면 현재 암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용한 ‘하버-보슈 공정’을 통해 생산되고 있으나, 이 방식은 500도 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요해 막대한 에너지를 소비하며, 이산화탄소 배출의 주요 원인으로 지목된다. 

이에 대한 대안으로, 최근 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 활용한 저온·저압(300도 10기압) 암모니아 합성 공정에 관한 관심이 급증하고 있다. 그러나 기존 촉매로는 낮은 온도와 압력에서 암모니아 생산성이 낮아 이를 극복하는 것이 핵심 과제로 남아 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 루테늄(Ru) 촉매와 강한 염기성을 갖는 산화바륨(BaO) 입자를 전도성이 뛰어난 탄소 표면에 도입해, 마치 ‘화학 축전지(chemical capacitor)’처럼 작동하는 신개념 촉매를 개발했다. 

암모니아 합성 반응 과정에서 수소 분자(H2)는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해된 후, 양성자(H+)와 전자(e-)로 한 번 더 분해된다. 이때 산성을 띠는 양성자는 강한 염기성을 띠는 산화바륨에 저장되고, 남은 전자는 루테늄과 탄소에 분리 저장되면서 촉매 활성도가 극대화된다.

연구진은 탄소의 나노구조를 조절함으로써 루테늄의 전자 밀도를 극대화해 촉매 성능을 획기적으로 향상시켰다. 이 촉매는 300도, 10기압 조건에서 기존 최고 수준 촉매 대비 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 “이 촉매를 활용하면 저온·저압에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능해져, 대규모 공장 중심의 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해질 것”이라며 “이는 친환경 수소 경제 구축에 더욱 유연한 암모니아 생산·활용 체계를 마련하는 데 이바지할 것”이라고 연구성과를 강조했다.

이번 연구에는 생명화학공학과 최민기 교수가 교신저자로, 백예준 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 촉매 화학 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 지난 2월 24일 게재됐다.