인공태양광을 개발한 광촉매 시스템에 비춘 사진. 광촉매가 태양광을 받아 수용액 속 질산염이 암모니아로 바뀌는 화학반응이 일어난다. 사진제공=UNIST수소 저장체로 주목받는 암모니아를 이산화탄소 배출 없이 생산하는 기술이 개발됐다.
유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 이재성 교수팀은 햇빛을 이용해 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 광촉매 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 햇빛을 받은 광촉매가 화학 반응을 일으켜 질산염이 암모니아로 바뀌는 원리다.
이번 연구는 중국 사천대학 허민 장(Hemin Zhang)교수, 한양대 장윤정 교수와의 협력을 통해 이뤄졌다.
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.
실리콘 나노와이어가 고르게 정렬된 광촉매의 구조 특성과 나노와이어 표면에 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. 수소 원자 3개와 질소가 결합한 물질이 암모니아다. 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.
이번 연구 결과는 독일의 와일리(Wiley) 사에서 발행하는 화학계 최고의 학술지 중 하나인 앙게반테케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 4월 5일자로 온라인 공개됐다.
