촉매 표면에 쌓여 성능을 저하시키는 탄소유기물질을 제거하는 대신 촉매 반응을 촉진시키도록 하는 방법을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현
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기사입력 : 2023.03.21 12:47
과학기술정보통신부
[동국일보] 과학기술정보통신부는 한국과학기술연구원 한상수 센터장 공동연구팀이 기존 하버-보슈법 대비 26%의 에너지 절감 효과가 있는 전기화학적 암모니아 합성 촉매를 개발했다고 밝혔다.
과기정통부 미래소재디스커버리사업과 소재연구데이터플랫폼사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제학술지'Applied Catalysis B: Environment'(IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%)에 게재됐다.
암모니아(NH3)는 비료의 주원료로 사용되는 등 우리 생활에 있어서 없어서는 안 되는 물질이다. 최근 들어 암모니아는 높은 수소 저장밀도와 탄소를 배출하지 않는 특성으로 인해 친환경 수소에너지의 핵심 물질로도 주목받는다.
그러나 널리 사용되는 암모니아 생산 공정인 하버-보슈법은 높은 온도(400~500˚C)와 압력(100-300기압) 하에서 작동하여 에너지 소모량과 탄소 배출량이 많다는 점이 지적되고 있다.
이를 해결하기 위해 상온(25˚C), 상압(1기압)에서 전기화학적으로 암모니아를 생산하는 기술이 연구되고 있지만 투입 에너지 대비 생산되는 암모니아의 양이 매우 적은 상황이다.
금속화합물 촉매의 경우 금속 물질과 탄소유기물질을 화학적으로 결합하여 촉매 물질을 합성하게 되는데, 기존의 연구들에서는 촉매 합성 후 금속 표면에 남은 탄소유기물질로 인해 촉매 성능이 저하됐다.
연구팀은 촉매 표면의 탄소유기물질을 제거하는 대신 반대로 이 탄소유기물질을 이용해서 촉매 표면에서 일어나는 화학반응을 촉진시킬 수 있는 방법을 계산과학 시뮬레이션을 통해 연구했다.
연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 황화물계 촉매에 탄소유기물질인 티오요소(Thiourea)를 조촉매로 사용하게 되면 전기화학적 암모니아 합성 촉매 성능이 크게 향상될 수 있음을 발견했다.
티오요소를 니켈(Ni) 전극과 반응시켜 황화니켈(NiS) 촉매를 합성했고, 해당 촉매는 기존의 황화물계 촉매들과 비교했을 때 세계 최고 수준의 촉매 성능을 보였다.
연구팀은 티오요소는 황화니켈 촉매 표면에서 전기화학반응 동안에 그 자체가 암모니아로 변환되기도 하고, 동시에 암모니아 변환 후에 남아있는 탄소(C)는 촉매 표면에서 새로운 암모니아 생산을 촉진시키는 매개체 역할을 하게 됨을 발견했다.
또한 개발된 촉매는 50시간 연속적으로 사용하여도 안정적으로 촉매 성능이 유지되는 등 안정성 측면에서도 다른 촉매에 비해 우수한 특성을 보였다.
한상수 센터장은 “개발된 촉매는 촉매 성능도 우수하지만 저렴한 원료를 기반으로 쉽게 제조가 가능하여 향후 전기화학적 암모니아 생산 기술의 상용화를 앞당겼다는 데에 의의가 있다.”라며, “컴퓨터 시뮬레이션을 통해 촉매 소재 개발의 시행착오를 줄여 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있었다.”라고 밝혔다.
