대구대 심준호 교수팀, 친환경 암모니아 촉매로 세계 최고 권위지에 잇따라 등재

두 가지 금속산화물 융합한 계면공학 접목, 질소 반응 극대화 및 수소 발생 억제 규명

[프라임경제] 미래 친환경 에너지 시장을 선점하기 위한 원천 기술 경쟁이 치열한 가운데, 국내 연구진이 화석 연료를 전혀 쓰지 않고 오직 전기에너지만으로 청정 암모니아를 양산할 수 있는 혁신적인 나노 촉매 기술을 선보여 학계의 이목을 집중시키고 있다.

제1저자로 참여한 대구대 화학과 석사 과정을 마친 이은경 씨. ⓒ 대구대학교

대구대학교(총장 박순진) 화학과 심준호 교수 연구팀은 상온과 상압 환경에서 질소 분자를 암모니아로 변환하는 전기화학 촉매를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 그 기술적 가치를 세계적으로 인정받아 화학·재료 분야의 최고 권위 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, Impact Factor 12.5)'과 '스몰(Small, Impact Factor 11.8)'에 잇따라 게재되는 쾌거를 이뤘다.

탄소 배출 주범 '하버-보슈법' 대체할 열쇠암모니아는 농업용 비료의 핵심 성분이자, 액체 상태로 수소를 저장하고 운송할 수 있는 가장 유망한 '수소 캐리어(운반체)'로 꼽히는 물질입니다.

하지만 지난 100여 년간 사용되어 온 기존의 암모니아 생산 공정(하버-보슈법)은 섭씨 400도가 넘는 고온과 200기압 이상의 고압 조건이 필수적이어서 막대한 에너지를 소모할 뿐만 아니라, 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 1~2%를 차지할 만큼 기후 변화의 주범으로 지적받아 왔다.

이에 전 세계 학계가 대기 중 질소를 전기로 직접 환원시켜 암모니아를 만드는 친환경 기술 개발에 뛰어들었으나 장벽이 높았다. 

질소 분자 자체의 구조가 워낙 견고해 화학 반응을 일으키기 어렵고, 반응 과정에서 방해 요소인 수소 가스가 먼저 발생하는 고질적인 한계 때문에 생산 효율이 극히 저조했기 때문입니다.

계면공학 기술로 질소 반응성 극대화, 방해 반응 성공적 제어심 교수 연구팀은 질소가 풍부하게 함유된 탄소 지지체 표면에 서로 다른 두 가지 금속 산화물을 결합한 독창적인 '다성분계 하이브리드 촉매'를 설계해 이 난제를 돌파했다.

연구팀은 이종(異種) 물질 간의 경계면에서 전자 이동을 정밀하게 제어하는 '계면공학' 기술을 적용했다. 

이를 통해 촉매 표면에서 질소의 화학 반응 속도는 대폭 끌어올리고, 주된 방해 반응이었던 수소 발생은 효과적으로 차단하여 타깃 물질인 암모니아의 변환 효율과 전기적 에너지 효율을 동시에 확보했다.

특히 개발된 촉매는 장시간 전기 가동 조건 속에서도 성능 저하 없이 고효율 성능을 안정적으로 유지하는 우수한 내구성을 보였다. 

연구팀은 정밀한 검증을 위해 질소 동위원소 추적 실험을 진행하여 생성된 암모니아가 대기 중 질소에서 유래했다는 사실을 물리학적으로 완벽히 입증했다.

아울러 전북대학교 화학공학과 김도환 교수 연구팀과의 협동 연구를 통해 컴퓨터 시뮬레이션(DFT 계산)을 수행, 촉매 내부에서 일어나는 원자 수준의 구체적인 반응 경로와 원리까지 명확히 규명해 냈다.

심준호 교수는 "이번에 개발한 나노 촉매 설계 플랫폼은 탄소 배출이 전혀 없는 친환경 비료 생산은 물론, 수소 에너지를 안전하게 저장하고 운송하는 미래 수소경제 인프라를 구축하는 데 실질적인 돌파구가 될 것이다"고 했다.

이번 연구는 대구대 화학과 일반대학원 석사 과정을 마친 이은경 씨가 제1저자로 참여해 핵심 실험과 논문 작성을 주도하고, 외국인 유학생인 카니쉬카 연구원이 공동저자로 기여하는 등 신진 연구원들이 주체적으로 이뤄낸 성과라는 점에서 뜻깊은 의미를 더했다. 

대학의 탄탄한 교육 인프라와 체계적인 연구 지원이 글로벌 초일류 학술지 게재라는 값진 결실로 이어진 셈이다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 개인기초연구지원사업(중견연구)의 적극적인 지원을 바탕으로 수행된 이번 연구는, 국가 친환경 원천기술 확보 관점에서도 대단히 높은 가치를 지닌다는 평가를 받고 있다.