“초미세먼지 유발 골칫덩어리 이것” 수소연료로 재활용한다

입력 2022-03-23 13:01:34

- KAIST·UNIST·화학硏, 일산화질소로 암모니아 생산기술 개발

이번 연구결과가 게재된 국제학술지 'ACS 에너지 레터스' 속표지. 배기가스에 포함된 일산화질소가 암모니아로 전환되는 것을 나타낸다. 뒷배경에 나노 철 입자가 담지된 가스확산전극이 보인다.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 발전소 등에서 주로 배출돼 초미세먼지를 유발하는 일산화질소를 수소연료로 전환할 수 있는 원천기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 건설및환경공학과 한종인 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 권영국 교수팀, 한국화학연구원 환경자원연구센터 김동연 박사와 함께 일산화질소로부터 암모니아를 생산하는 고효율 전기화학 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다. 개발된 시스템은 비싼 귀금속 촉매 대신 값싼 철 촉매를 이용해 상온 및 상압 조건에서 세계 최고 수준의 전기화학적 암모니아 생산 속도를 기록했다.

일산화질소는 발전소, 산업용 보일러, 제철소 등 연소시설에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 95% 이상을 차지하고 있는 유해 가스로, 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. 일산화질소의 높은 반응성을 이용해 적은 에너지만으로 유용 자원인 암모니아 생산의 가능성을 본 것이다.

연구팀은 물에 잘 녹지 않는 일산화질소의 한계를 극복하기 위해 기존

일산화질소를 암모니아로 업사이클링하는 과정을 보여주는 모식도.[KAIST 제공]

철-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 확보했다.

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.

이번 연구를 주도적으로 진행한 한 교수 연구팀의 천선정 박사과정 학생은 “최근 대기오염, 탄소 중립 등의 이슈가 꾸준히 확산하는 가운데 지속할 수 있는 기술 개발에 대한 중요성이 커지고 있다”며 “대기오염의 원인을 효과적으로 제거하는 동시에 탄소배출이 없는 암모니아 연료를 생산해 새로운 관점으로 환경문제를 해결하고자 했다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 3월 11일 속표지논문으로 선정돼 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com