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Research

이산화탄소 배출 없이 암모니아를 합성하는 새로운 합성촉매 개발

  • 조회. 358
  • 등록일. 2021.04.13
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수팀, 질소로부터 암모니아 합성이 가능한 합성촉매 개발
기존 합성법과 달리 합성 시 이산화탄소 배출하지 않는 친환경성까지 갖춰...향후 관련 산업계에 긍정적 영향 줄 것

 

DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수(좌), 데이비드 쿠마르 에스도스 석사과정생(우)
DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수(좌), 데이비드 쿠마르 에스도스 석사과정생(우)

 

 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감(Sangaraju Shanmugam) 교수 연구팀은 공기 중 떠다니는 질소를 활용해 암모니아를 합성하는 새로운 개념의 암모니아 합성촉매를 개발했다. 기존의 암모니아 합성법과 거의 동일한 합성효율을 보여줄 뿐만 아니라 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경적인 특성까지 지녀, 향후 관련 산업계에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

 암모니아는 비료나 수소운반체 수소운반체( hydrogen carrier): 수소의 운반에 관계하는 화합물. 생체 내의 물질 산화에서 그 물질로부터 빠져나온(탈수소반응에 의함) 수소는 여러 종류의 유기화합물과 순차적으로 주고받고, 마지막으로 산소와 결합하여 물이 된다.
 등 다양한 분야에 활용되는 귀한 화학 원재료 중 하나다. 하지만 암모니아를 합성하는데 사용되는 기존 방식인 ‘하버-보슈법’은 인류가 배출하는 전체 이산화탄소의 1~2%를 차지할 만큼의 많은 이산화탄소를 배출해, 환경파괴의 원인 중 하나로 지목돼왔다.

 

관련사진2.촉매를 이용해 암모니아를 합성하는 모습
촉매를 이용해 암모니아를 합성하는 모습

 

 이에, 샨무감 교수 연구팀은 전기화학적 반응을 일으켜 공기 중 질소로부터 암모니아로 합성하는 ‘질소환원반응(NRR)’을 이용한 방식을 제시했다. 연구팀은 새롭게 개발한 촉매를 이용하여 질소 환원 반응을 일으킬 경우, 공기 중 질소가 액체화되면서 암모니아를 합성할 수 있다고 밝혔다. 이는 기존의 ‘하버-보슈법’과 달리 이산화탄소가 배출되지 않는 것이 특징이다. 또한 기존 방식보다 암모니아를 합성하는데 있어 상대적으로 낮았던 효율성 문제도 함께 해결해, 관련 연구가 갖고 있던 한계도 극복했다.

 DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수는 “이번에 개발한 암모니아 합성 촉매는 합성과정에서 발생되는 이산화탄소가 없고, 여러 합성 준비 단계를 거치지 않고 바로 단 한 번만의 반응을 통해 암모니아 합성이 가능하다”며 “이는 합성을 위해 여러 단계를 거치고, 그 과정에서 이산화탄소를 발생시키는 기존의 암모니아 합성법과 달리 진정한 친환경적인 접근이다”고 말했다.

 한편, 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 BK21 플러스(Brain Korea 21 Program for Leading Universities & Students) 사업을 통해 이루어졌다. 또한, 연구결과는 에너지 및 환경 분야에서 국제적 저널인‘Applied Catalysis B: Environmental’ 온라인판에 2월 20일(토) 게재됐다.


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 연구결과개요 

Strong catalyst support interactions in defect-rich γ-Mo2N nanoparticles loaded 2D-h-BN hybrid for highly selective nitrogen reduction reaction
(David Kumar Yesudoss, Gayoung Lee, Sangaraju shanmugam)
(Applied Catalysis B: Environmental, on-line published on February 5th, 2021) 


 암모니아는 가장 중요한 화학 원료 중 하나로 비료와 수소 운반체로서의 핵심 역할을 맡는데, 아직까지 암모니아 생산에는 환경을 파괴하는 하버-보슈법 공정을 사용하고 있다. 이 공정은 지구 온난화의 원인인 이산화탄소을 발생시키기 때문에, 우리는 빠른 시일 내에 탄소 제로의 암모니아 합성법을 적용해야 할 필요가 있습니다. 
 이러한 요구를 충족시키기 위해, 공기 중의 질소를 액체화시키는 전기 화학 촉매 실험이 새로운 암모니아 합성법으로 떠올랐습니다. 그러나, 액체화 과정 중 요구되는 높은 양의 활성화 에너지(940.95kJ mol-1)가 암모니아 생산 활성을 낮출 뿐만 아니라 수소발생반응으로 인한 낮은 패러데이 효율이 NRR의 문제점으로 여겨지고 있습니다. 
 나노입자는 해당 원소에 대한 고유의 촉매 특성과 높은 표면을 가지고 있습니다. 그러나, 나노입자는 쉽게 뭉치게 되고, 이러한 집합체는 표면에서 낮은 활성을 가지기 때문에 실질적 대규모 적용에 차질을 줍니다. 
 이것을 극복하기 위해 얇은 육방정 질화붕소(h-BN) 시트 위에 질화몰리브덴 (Mo2N) 나노입자가 올라간 촉매가 제조되었고 활성 부위 개선 뿐만 아니라 전극-전해액 접촉 계면에 큰 도움을 주었습니다. Mo2N/BN 혼성 촉매는 현존하는 NRR 촉매들 중 가운데, 가장 높은 58.5 µg h-1mg-1의 암모니아 생산 활성률과 61.5%의 패러데이 효율을 보였습니다. 해당 나노 혼성 촉매는 가장 안정적인 NRR 성능과 최소한의 생산 활성률 저하 및 내구성을 기록했습니다.
 본 연구는 결과적으로 촉매 내의 결함이 NRR의 패러데이 효율 상승에 얼마나 미치는지를 분석하였습니다. 그리고 단일 단계 합성을 통해 이차원 육방정 질화붕소 소재를 사용한 Mo2N 나노입자 제조법으로부터, NRR에 더 적합한 전극촉매 합성법임을 증명하였습니다. DOI : 10.1016/j.apcatb.2021.119952

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 연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 암모니아 합성법과 더불어 혼성 촉매 제조는 복잡한 여러 단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라 높은 합성 비용을 필요로 했습니다. 하지만 저희는 단일 단계만이 필요하며 저예산의 혼성 질화 촉매 합성이 가능합니다. 이뿐만이 아니라 저희는 최초로 NRR에서의 나노입자 효과와 입자 크기에 따른 혼합 물질의 결함 특성 관계를 입증했습니다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
암모니아는 수소 에너지 밀도가 높고 연료 전지의 연료로 사용 가능 한 미래의 수소운반체로 평가받고 있습니다. 지구 온난화를 지연시키기 위해 탄소제로 에너지 시스템을 항상 염두에 두어야 하지만 기존 하버-보슈법 암모니아 생산은 이산화탄소를 배출시킵니다. 하지만 암모니아는 전기 화학적으로도 얼마든지 생산 가능합니다. 전기분해에 사용되는 재생 가능 자원을 연료로 공기 중 질소나 물을 사용해서 만들 수 있습니다. 전기화학적 질소환원반응은 탄소-제로 암모니아 생산법입니다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
미국 에너지부(DOE)의 기준에 의하면, 최소 100 mA cm-2의 전류 밀도를 넘어야 실용적인 암모니아 생산법으로서 인정받을 수 있다고 합니다. 그렇기 때문에 높은 전류밀도를 사용하면서 90% 이상의 에너지 효율을 유지하기 위해선 몇 가지 문제들을 바로잡을 필요가 있습니다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
본 실험은 NRR의 높은 패러데이 효율 질소 전극 합성을 목표로 시작했습니다. 해당 분야에 대해 다양한 촉매를 사용해 질소를 줄이는 비슷한 실험은 많았지만 아쉽게도 압도적인 수소발생반응 결과에 대한 해결법은 전무했습니다. 그래서 저희는 촉매를 통해 HER과 NRR의 선택성을 가리는 방향으로 연구를 진행했습니다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
현재, 연간 2억 톤에 다다르는 암모니아 생산에 있어 하버-보슈법 공정에 의존하고 있습니다. 그러나 하버-보슈법은 인류가 배출하는 전체 이산화탄소 중 1-2%를 차지하고 있어, 이산화탄소로 인한 지구 온난화의 우려에서 벗어나기 어렵습니다. 전기 화학적 반응을 통해 암모니아를 생산하는 이 연구는 이산화탄소 배출의 염려가 없는 친환경적 합성법임으로, 이 연구 개발 결과로부터, 더 깨끗하고 안전한 환경을 만들 수 있습니다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구 결과를 활용하여 질소 환원 반응의 패러데이 효율을 더욱 향상시키고 DOE 목표를 달성함으로써, 고전류밀도(>100 mAcm-2)에서 암모니아가 생산 가능하도록 초점을 맞추고자 합니다. 산업 규모의 전기 화학 암모니아 생산이 가능하도록 프로토 타입 전해조에 적용하고자 합니다.

 

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 그림 설명 


[그림 1] 전기화학적 질소환원반응과 성장한 γ-Mo2N/BN 혼성 촉매의 개략도

관련사진3.전기화학적 질소환원반응과 성장한 γ-Mo2NBN 혼성 촉매의 개략도

 

(그림설명)  1~2%의 이산화탄소의 이산화탄소가 발생하는 Haber Bosch 공정과 비교하면서, 친환경적인 전기화학적 질소 환원 반응이 어떻게 이루어지 보여주는 그림입니다. 전기화학적 전해셀에 하이브리드 2D 물질을 적용하였으며 그 결과, 높은 수준의 NRR 선택성으로 인해 우수한 Faradaic effciency를 보여줍니다. 

 

[그림 2] γ-Mo2N/BN의 전기 촉매 NRR 표(좌)와 암모니아 합성에 이용된 촉매의 투과 전자현미경(TEM) 사진(우)

 

관련사진4.γ-Mo2NBN의 전기 촉매 NRR 표(좌)와 혼성 촉매의 투과 전자현미경(TEM) 사진(우)

(그림설명) (좌측) 서로 다르게 성장한 γ-Mo2N/BN 혼성 촉매의 암모니아 생산효율을 보여줌.
(우측) 나노입자 크기의 Mo2N은 간단하면서 효율적인 방법으로 변화하여 h-BN 결함이 제어되면서 고르게 입자들이 시트에 올라갔음을 확인 할 수 있음. 양극 촉매의 결함은 암모니아 합성의 질소 선택성을 향상시킴

 

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