(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자= 신재생 에너지를 이용한 수소 생산은 친환경 에너지 및 화학물질 생산의 핵심적인 기술이다. 하지만 이렇게 생산된 수소는 저장과 운송이 어렵기 때문에 탄소 배출이 없고, 액화가 쉬운 암모니아(NH3) 형태로 수소를 저장하려는 연구가 세계적으로 널리 진행되고 있다.

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

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

현재 암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용해 하버-보슈 공정이라는 100년이 넘은 기술로 생산되고 있다. 하지만, 이 방식은 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요해 엄청난 에너지를 소비하고, 세계 이산화탄소 배출량에서 상당한 비율을 차지하는 주범으로 지목됐다. 더구나 이렇게 생산된 암모니아는 대규모 공장에서 제조되기 때문에 유통 비용도 만만치 않다.

이에 대한 대안으로, 최근 물을 전기로 분해하는 기술인 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 이용해 저온·저압(300도, 10기압)에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정에 관한 관심이 급증하고 있다. 그러나 이러한 공정을 구현하려면 낮은 온도와 압력에서도 높은 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 개발이 필수적이며, 현재의 기술로는 이 조건에서 암모니아 생산성이 낮아 이를 극복하는 것이 핵심 과제로 남아 있다.

연구팀은 루테늄(Ru) 촉매와 강한 염기성을 갖는 산화바륨(BaO) 입자를 전도성이 뛰어난 탄소 표면에 도입해 마치 ‘화학 축전지(chemical capacitor)*’처럼 작동하는 신개념 촉매를 개발했다.

*축전지: 전기 에너지를 +전하와 –전하로 나누어 저장하는 장치

암모니아 합성 반응 도중 수소 분자(H2)는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해 되며, 이 수소 원자는 양성자(H+)와 전자(e-) 쌍으로 한번 더 분해되게 된다. 산성을 띠는 양성자는 강한 염기성을 띠는 산화바륨에 저장되고 남은 전자는 루테늄과 탄소에 분리 저장되는 것으로 밝혀졌다.

이처럼 특이한 화학 축전 현상을 통해 전자가 풍부해진 루테늄 촉매는 암모니아 합성 반응의 핵심인 질소(N2) 분자의 분해 과정을 촉진해 촉매 활성을 비약적으로 증진시키는 것으로 밝혀졌다.

특히 이번 연구에서는 탄소의 나노구조를 조절함으로써 루테늄의 전자 밀도를 극대화해 촉매 활성을 증진시킬 수 있음을 발견했다. 이 촉매는 300도, 10기압인 온건한 조건에서 기존 최고 수준의 촉매와 비교하여 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 나타냈다.

KAIST 최민기 교수는 “이번 연구는 전기화학이 아닌 일반적인 열화학적 촉매 반응 과정에서도 촉매 내부의 전자 이동을 조절하면 촉매 활성을 크게 향상할 수 있음을 보여준 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다”고 밝혔다.

이어 “동시에 이번 연구를 통해 고성능 촉매를 활용하면 저온·저압 조건에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능함이 확인되었다. 이를 통해 기존의 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해지며, 친환경 수소 경제 시스템에 적합한 더욱 유연한 암모니아 생산·활용이 가능해질 것으로 기대된다.”라고 설명했다.

생명화학공학과 최민기 교수가 교신저자, 백예준 박사과정 학생이 제 1 저자로 연구에 참여하였으며, 연구 결과는 촉매 화학 분야에서 권위적인 국제 학술지인 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 지난 2월 24일 게재됐다.

(논문명 : Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis, https://doi.org/10.1038/s41929-025-01302-z)

□ 연구 개요

암모니아는 비료, 화약, 염료, 의약품 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 화합물로 사용되며, 최근에는 높은 수소 저장 용량과 우수한 운송 효율성을 갖춘 수소 경제의 핵심 운반체로 주목받고 있다. 그러나 100년 전 개발된 하버-보슈 암모니아 합성 공정은 화석연료에서 유래한 그레이 수소를 사용하고, 고온(500도)과 고압(100-300기압)의 반응 조건이 필요해 막대한 에너지 소비와 대량의 이산화탄소 배출로 인해 환경오염의 주요 원인으로 지적되고 있다.

이에 대한 대안으로, 최근 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 이용해 저온·저압(300도, 10기압)에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정에 대한 관심이 급증하고 있다. 그러나 이러한 공정을 구현하려면 낮은 온도와 압력에서도 높은 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 개발이 필수적이며, 현재의 기술로는 이 조건에서 암모니아 생산성이 낮아 이를 극복하는 것이 핵심 과제로 남아 있다.

2. 연구내용

루테늄 촉매는 낮은 온도에서도 우수한 활성을 보이지만, 수소를 지나치게 강하게 흡착하는 성질로 인해 질소 흡착이 방해받는 수소 피독(hydrogen poisoning) 현상이 발생하는 문제가 있다. 이는 암모니아 합성 반응에서 큰 장애 요소로 작용하며, 이를 해결하기 위해 기존 연구에서는 산화바륨(BaO), 산화세슘(Cs2O) 등 알칼리 및 알칼리 토금속을 조촉매로 활용해 왔다.

그러나 이러한 조촉매의 작동 원리는 아직 명확히 밝혀지지 않았으며, 동일한 촉매 및 조촉매 조성을 사용하더라도 지지체의 종류나 촉매 제조 방식에 따라 성능이 크게 달라지는 것으로 보고되고 있다. 즉, 단순한 촉매 조성만으로는 설명할 수 없는 촉매-조촉매-지지체 간의 복잡한 계면 상호작용이 촉매 성능에 결정적인 영향을 미칠 수 있다는 점에서, 보다 정밀한 연구가 요구되고 있다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀은 이전 연구에서 루테늄 촉매와 산화바륨 조촉매의 계면을 정밀하게 조절한 산화마그네슘(MgO) 지지체 기반 촉매를 합성하고, 해당 계면의 화학적 역할을 규명한 바 있다.

연구 결과, 루테늄 표면에서 활성화된 수소 원자가 산화바륨-루테늄 계면에서 수소이온(H⁺)과 전자(e⁻)로 분리되며, 이 과정에서 루테늄의 전자 밀도가 증가해 질소분자의 삼중결합 활성화가 촉진됨이 밝혀졌다. 이를 통해 높은 촉매 성능을 구현할 수 있었으나, 산화바륨이 과도하게 도입될 경우 루테늄의 활성점이 차단되어 성능이 저하되는 문제가 확인되었다.

이러한 연구를 바탕으로, 본 연구팀은 기존 촉매의 한계를 극복할 새로운 해결책을 찾아냈다. 핵심은 ‘탄소’였다. 기존의 절연성 산화마그네슘 대신, 전자 이동이 자유로운 탄소 지지체를 사용하자 촉매 시스템의 작동 방식이 크게 변화했다.

탄소 지지체는 스필오버(spillover) 현상을 통해서 수소이온(H⁺)과 전자(e⁻) 쌍이 자유롭게 이동할 수 있는 통로를 만들어주었고, 수소이온은 산화바륨에, 전자는 루테늄과 탄소 전반에 분리되어 축적되었다. 이 구조에서는 산화바륨이 루테늄과 직접 계면을 이루지 않아도 수소이온/전자의 분리 저장을 가능하게 하여, 이로써 충분한 활성점을 확보한 루테늄 촉매 시스템의 설계로 인해 촉매 활성을 증진시킬 수 있었다.

더 놀라운 점은 탄소 지지체의 나노 구조를 제어함에 따라 촉매 성능이 크게 달라졌다는 것이다. 연구팀은 다양한 나노 구조를 갖는 탄소 지지체를 사용해 산화바륨-루테늄 촉매의 저온·저압 암모니아 합성 활성을 비교한 결과, 탄소 소재의 일함수와 촉매 성능 사이에 강한 상관관계가 있음을 확인했다. 특히, 일함수가 매우 낮은 질소 도입 탄소나노튜브(N-doped MWCNT)를 개발해, 기존 최고 수준인(state-of-art) 산화마그네슘 기반 촉매보다 무려 7배 향상된 암모니아 합성 성능을 확인했다.

3. 기대효과

암모니아는 쉽게 액화가 되어 저장 및 운송이 용이하며 다른 수소 저장 매개 방식에 비해 수소 저장 용량이 높아 그린 수소의 대량·장기 저장 및 장거리 운송이 가능하다. 수소 경제사회 이행을 위해서는 기존 하버-보슈 공정보다 훨씬 낮은 온도와 압력에서 경제적으로 암모니아를 합성할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

기술 개발의 핵심은 저온 및 저압에서 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매의 설계에 있다. 이러한 암모니아 합성 촉매 기술은 기존의 하버-보슈 공정에서 사용되던 촉매를 점진적으로 대체할 수 있으며 암모니아의 생산 단가를 낮출 뿐만 아니라, 에너지 소비량 및 온실가스 배출량을 줄여 최근 에너지 및 환경 이슈에 유연하게 대응할 수 있을 것이다.

한편, 이 연구는 한국에너지기술연구원과 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.

송윤영 기자 다른기사 보기