제작된 페로브스카이트 광전극 시스템의 실제 모습. 사진제공=유니스트태양에너지만으로 고효율의 암모니아를 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.
유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 장지욱, 장성연 교수팀은 스탠퍼드 대학교 토마스 자라밀로(Thomas F. Jaramillo) 교수와 공동으로 페로브스카이트 기반 친환경 암모니아 생산 광전극 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다.
미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도의 상용화 기준치를 약 1.7배 웃돌았다. 세계 최고 기록이다.
태양에너지로 폐수의 주요 성분인 질산염(NO3-)을 물속에서 환원해 암모니아(NH3)를 생산하는 원리다. 개발한 시스템은 세계 최고의 태양광-암모니아 전환 속도를 기록했으며 물에 약한 페로브스카이트의 단점을 극복했다.
공업 원료인 암모니아는 비료, 음식, 제약 등 고부가 가치 화합물을 합성하는 데 쓰인다. 현재 암모니아의 대부분은 ‘하버-보쉬 공정’으로 생산된다. 하지만 친환경적이지 않고 막대한 양의 화석연료를 소모해야 된다는 문제가 있다.
연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 보호해 높은 성능과 내구성을 갖춘 광전극 시스템과 루세늄을 티타늄 나노시트에 올린 고성능 암모니아 생산 촉매를 개발했다.
페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만들 수 있지만 물에 쉽게 분해된다. 연구팀은 페로브스카이트를 쉽게 액체가 되는 필즈금속으로 보호하는 동시에 고성능 암모니아 생산 촉매와 강하게 결합시켰다. 필즈금속은 녹는 온도가 63도로 낮아 쉽게 녹고 상온에서는 고체가 돼 이러한 설계가 가능하다.
장지욱 교수는 “이번 연구를 통해 폐수의 주성분인 질산염과 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을, 암모니아와 고부가 가치의 글리세릭 엑시드를 생산했다”며 “개발된 기술은 외부전압 없이도 고효율 암모니아를 생산할 수 있으며, 다양한 친환경 연료를 생산하는데도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
장성연 교수는 “본 연구는 고효율 태양광 연료 생산에 응용한 매우 중요한 연구다”며 “태양광 연료의 상용화가 되는 태양광 연료 생산 속도 기준을 초과 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 설명했다.
능동형 암모니아 생산폐글리세롤 산화 동시 진행 시스템 모식도. 모식도=유니스트
