KAIST 건설및환경공학과 한종인 교수 연구팀이 대기 중에서 초미세먼지를 유발하는 골칫거리인 일산화질소를 사용해 최근 수소 저장체로 주목받고 있는 암모니아를 생산했다.
초미세먼지의 원인인 일산화질소의 농도를 대폭 낮춰 대기 환경 개선과 탄소중립 효과가 기대된다.
23일 KAIST에 따르면 일산화질소는 발전소, 산업용 보일러, 제철소 등 연소시설에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 대부분(95% 이상)을 차지하고 있는 유해 가스다.
호흡기 질환을 유발할 뿐만 아니라 산성비 및 대기 중 오존을 생성해 배출량이 엄격히 규제되고 있다.
현재 대부분의 처리 기술은 일산화질소의 단순 제거에만 초점을 맞추고 있지만 연구팀은 버려지는 일산화질소의 가치에 주목했다.
연구팀은 물에 잘 녹지 않는 일산화질소의 한계를 극복하기 위해 기존의철-킬레이트를 포함한 일산화질소 흡수제를 사용하는 방식 대신 기체를 직접적으로 전극에 주입하는 기체 확산 전극을 사용해 물질전달 속도를 획기적으로 늘렸다.
이로써 공정에 소모되는 화학약품 비용을 줄이고 전기화학 셀 운전 시 발생하는 폐수 처리를 간편화했다.
나노 크기의 철 촉매를 전극에 도포해 부반응을 억제하고 암모니아에 대한 생성물의 선택도를 확보했으며, 전기화학적 암모니아 생산 성능을 결정하는 중요한 지표인 암모니아 생산 속도는 1236 μmolcm-2h-1를 기록했다.
이는 기존의 질소 기체(N2)를 활용한 전기화학적 암모니아 생산 속도 범위인 10 μmolcm-2h-1을 100배 이상 넘어선 수준이다.
이러한 접근법은 대부분의 전기화학 반응에서 100%의 순수한 원료 기체를 필요로 하는 것과 달리 사용되는 일산화질소 가스의 농도를 1~10%까지 낮출 수 있어 해당 기술의 현장 적용성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 기존의 암모니아 생산 공정인 하버-보쉬법이 400도, 200기압 이상의 고에너지 조건을 요구하는 데 반해, 연구팀이 개발한 전기화학 시스템은 상온 및 상압 조건에서 암모니아 생산이 가능해 공정 설비와 비용 부담을 크게 줄일 수 있을 전망이다.
한편, 이번 연구성과는 저명 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스’에 지난 11일자에 출판됐다.
