KAIST 연구진은 낮은 온도와 압력에서도 에너지 손실 없이 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다.

KAIST 연구팀은 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

현재 암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용한 100년 전 개발된 하버-보슈 공정으로 생산되고 있다. 이는 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요해 막대한 에너지 소비와 이산화탄소를 배출한다. 이렇게 제조된 암모니아는 대규모 공장에서 제조돼 유통 비용도 높다.

기존 기술로는 낮은 온도와 압력에서 생산성이 떨어지는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 최근 수전해로 생산된 그린 수소를 이용해 저온·저압에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정이 주목받고 있다.

연구팀은 루테늄(Ru) 촉매와 강한 염기성을 지닌 산화바륨(BaO) 입자를 전도성이 높은 탄소 표면에 도입해 '화학 축전지'처럼 작동하는 신개념 촉매를 개발했다. 이 촉매는 전자를 저장·분배하며 질소(N2) 분자의 분해를 촉진, 촉매 활성을 크게 향상시켰다.

특히 탄소의 나노구조를 조절해 루테늄의 전자 밀도를 극대화해 기존 최고 수준 촉매보다 7배 높은 성능을 기록했다.

최민기 생명화학공학과 교수는 "고성능 촉매를 활용하면 저온·저압 조건에서 효율적인 암모니아 합성이 가능한 것이 확인됐다"며 "이를 통해 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 유연한 암모니아 생산·활용이 가능해질 것으로 기대된다"고 말했다.