[지데일리] 국내 연구진이 수소 저장체로 주목받는 암모니아를 이산화탄소 배출 없이 생산하는 기술을 개발해 관심을 모은다.
UNIST에 따르면 에너지화학공학과 이재성 교수팀은 햇빛을 이용해 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 광촉매 기술을 개발했다. 햇빛을 받은 광촉매가 화학 반응을 일으켜 질산염이 암모니아로 바뀌는 원리다.
이번 연구는 중국 사천 (Sichuan)대학 허민 장(Hemin Zhang)교수, 한양대 장윤정 교수와의 협력을 통해 이뤄졌다. 연구 결과는 독일의 와일리(Wiley) 사에서 발행하는 화학계 최고의 학술지 중 하나인 앙게반테케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 4월 5일자로 온라인 공개됐다.
연구 수행은 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 논문명은 'Photoelectrochemical Nitrate Reduction to Ammonia on Ordered Silicon Nanowire Array Photocathodes'다.
최근 전 세계가 재난적 기후변화를 막기 위해 탄소중립사회를 구현하기 위한 전 방위적인 노력을 경주하고 있는 가운데, 탄소중립을 위한 여러 방안 중, 수소에너지가 중대한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
하지만 가벼운 가스인 수소를 저장하고 운송 하는 데는 기술적, 경제적으로 심각한 어려움이 있다. 암모니아를 액화시켜 장거리 수소운송체로서 활용하는 방안이 많은 주목을 받고 이유다.
암모니아는 수소 원자 3개와 질소가 결합한 물질로, 세계적으로 가장 많이 생산되는 화학제품 중의 하나다. 요소비료를 만드는데 대부분 사용되어 지난 100년이 넘는 오랜 기간 동안 인류의 식량자급에 크게 기여해왔으며, 최근 수소 저장체로도 주목받고 있다.
자원이 풍부한 해외에서 이 암모니아를 값싸게 만들고, 이를 해상운송을 통해 국내로 들여와서 암모니아 분해를 통해 수소를 얻는 방식은 수소를 액화 시켜 운송, 저장하는 등의 방식보다 훨씬 경제적이다.
암모니아 액화, 운송 설비를 그대로 활용할 수 있고, 부피·질량대비 더 많은 수소를 저장, 운송할 수 있기 때문이다. 암모니아는 세계적으로 가장 많이 생산되는 화학제품 중의 하나이며 100년이 넘는 기간 동안 비료 등으로 사용되어온 전통적 화학원료다.
그러나 이 방안에는 근본적인 논리적 모순이 있다. 암모니아는 100여 년 전에 개발된 하버-보쉬법에 의해 제조 되는데 이 과정에서 온실가스인 이산화탄소가 다량 발생하고 에너지 소모도 많아서 전 지구적으로 볼 때 탄소중립에 실제적 기여가 크지 않다.
하버 보쉬법은 공업적으로 암모니아를 만드는 방법으로 1908년도 독일의 화학자 프리츠 하버가 발명했는데, BASF에서 상업화 시킨 기술로 20세기 가장 중요한 기술적 진보의 하나로 여겨지고 있다. 화석원료에서 수소를 제조하고 공기 중 질소와 고온 고압에서 반응시켜 암모니아를 제조하는데 이 과정 중 다량의 이산화탄소가 발생하고 많은 에너지가 소모된다.
개발한 광촉매 전극과 암모니아 생산 반응 모식도. 잘 정렬된 실리콘 나노와이어(organized Si nanowire) 위에 작은 금 입자를 담지한 광촉매 전극이 햇빛을 흡수하여 광전자를 생성하고 이것이 물속에 녹아 있는 질산염을 환원시켜 암모니아를 만드는 과정을 보여주는 모식도. UNIST 제공
이에 세계 여러 국가 들은 생산 과정에서 이산화탄소 발생이 전혀 없는 ‘그린’ 암모니아 생산 기술을 경쟁적으로 개발하고 있는 상황이다.
그린암모니아 생산기술 중 가장 많이 연구되고 있는 것은 공기 중 질소를 물에 녹여 전기분해를 시키는 기술이지만, 질소의 물에 대한 용해도가 너무 낮고, 안정한 질소를 분해하는데 많은 전기에너지가 소요되는 단점이 있어, 경제적인 기술 개발까지는 많은 시간이 필요해 보인다.
때문에 최근에는 질소 대신 산업용 혹은 농업용 폐수 중에 다량 포함된 질산염을 원료로 해, 전기분해를 통해 암모니아를 얻는 기술 개발을 시도하고 있다. 생활하수, 오수 등에 포함된 과도한 질산염은 인간의 보건과 생태계에 해로우며 산소 고갈과 부영양화를 초래한다. 현재 많은 비용을 동반하는 수처리 환경기술을 동원하여, 물속의 질산염을 제거하고 있다.
특히 질산염은 블루베이비병 등을 유발하는 수질 오염 물질이다. 이렇게 질산염의 전기분해에 의한 암모니아 생산기술은 수처리 효과를 동시에 얻을 수 있는 일석이조의 기술이지만 역시 막대한 전기에너지를 필요로 한다는 단점이 있다.
블루베이비병은 1945년 미국의 컴리(Comly)에 의해 유아에서의 발병이 처음 보고됐다. 다량의 질산염이 함유돼 있는 식수로 인해 발생한 질병으로 푸른 아기라는 뜻에서 블루베이비(Blue Baby)라는 이름이 붙여졌다.
질산염은 체내 혈액에서 헤모글로빈과 결합해 산소운반을 방해하며, 이 때문에 호흡으로 얻어진 산소가 신체 각 부분으로 전달되지 못하여 몸이 푸른색으로 변하게 된다. 블루베이비 증상이 나타나면 성장발육이 저해되고 빈혈 등으로 인해 심할 경우는 사망하게 된다.
1953년부터 1960년 사이에 체코에서 태어난 수백명의 어린이가 푸른색으로 변해간다는 보고가 이어지고, 특히 산모는 건강한데도 갓 태어난 아기가 푸른 색을 띠는 사례가 많아지게 됐다.
광전기화학 반응을 통해 합성된 암모니아가 전해질에 많을수록 시약을 통한 검출 반응에서 진한 청록색 빛을 띤다.
이번 연구에선 전기분해 대신 햇빛을 바로 이용해 질산염으로부터 암모니아를 얻는 광촉매 기술을 개발했다. 개발된 광촉매는 잘 정렬된 실리콘 나노와이어를 투명전극 위에 생성하고 그 표면에 조촉매로서 소량의 금을 담지 하였다. 이 광전극은 아주 낮은 전압 하에서 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 생성했다.
정렬된 실리콘 나노와이어(organized Si Nanowire)는 반도체 물질인 실리콘을 규칙적인 배열을 가진 반경 나노미터 (10-9 m) 규모로 끈 (wire) 형태로 제조한 물질을 말한다.
연구팀은 “암모니아 생산 과정에서 나오는 이산화탄소도 잡고, 폐수 속 질산염도 처리 할 수 있는 기술로, 광촉매 효율과 안정성을 보완한다면 지상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양광을 직접 활용하는 이상적인 그린 기술이 될 것”이라고 설명했다.
암모니아 생산 중 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 약 1.8%를 차지할 만큼 많다. 대안으로 질소를 물에 녹여 전기분해 방법으로 그린 암모니아를 생산하는 기술이 주목받고 있지만, 질소가 물에 잘 녹지 않는데다 여전히 화석연료로 생산한 전기를 써야만 하는 문제가 남아 있다.
연구팀은 물에 잘 녹는 질산염의 특성을 활용해 이를 해결할 방안을 제시했다. 또 전기 대신 자체 개발한 광촉매를 썼다. 광촉매가 햇빛을 직접 받아 만든 전자(광전자)로 질산염을 환원시켜 암모니아가 합성되는 방식이다.
실험결과 이 광촉매를 활용해 아주 낮은 전압에서도 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 만들 수 있었다. 높은 반응 선택도는 광전자가 질산염 환원 반응에만 효율적으로 쓰였다는 의미다.
인공태양광을 개발한 광촉매 시스템에 비춘 사진. 광촉매가 태양광을 받아 수용액 속 질산염이 암모니아로 바뀌는 화학반응이 일어난다.
실리콘 나노와이어(nanowire)가 고르게 정렬된 광촉매의 구조 특성과 나노와이어표면에 잘 부착된 미량의 금 입자 성분 등 덕분에 이러한 높은 효율을 얻었다는 것이 연구팀의 설명이다.
비료 등의 원료로 알려진 암모니아는 최근 수소 운반저장체로 급부상하고 있다. 수소를 암모니아로 바꾸면 수소를 그냥 액화하는 것 보다 약 1.7배 많은 수소 저장할 수 있는데다 기존 암모니아 액화 설비와 운송 수단을 그대로 쓸 수 있어 더 경제적이기 때문이다. 하지만 암모니아를 합성 과정에서 다량의 이산화탄소가 발생하는 모순은 해결해야 할 과제다.
아직 효율과 수명 면에서 실용화하기에는 부족함이 많으나, 앞으로의 연구 개발에 따라 성능개선이 이루어진다면 그린 암모니아 생산의 새로운 기술로서 발전할 수 있는 가능성을 충분히 보여 주었다고 할 수 있다.
연구팀은 "우리가 사용하는 전기는 현재 대부분 화석연료를 사용해 만들어지기 때문에 전기분해에 의해 생산된 암모니아는 진정한 의미에서의 그린암모니아라고 할 수 없다"면서 "그런 의미에서 이번에 개발한 광촉매 방법은 지상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양광을 활용하는 이상적인 그린기술이다"고 설명했다.
이어 "더욱이 폐수처리에서 골칫거리의 하나인 질산염을 동시에 처리할 수 있다는 것도 이 기술의 의미 있는 장점이라고 할 수 있다"고 덧붙였다.
