탄소배출이 많은 기존 암모니아 생산 방식을 대체할 수 있는 질화규소 기반 신공법이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 백종범 에너지화학공학과 교수팀이 질화규소를 첨가한 기계화학적 암모니아 생산 공정으로 기존 대비 생산 수율을 5.6배 높이는 데 성공했다고 9일 밝혔다.
비료 원료인 암모니아는 식량 생산에 중요한 물질이다. 최근에는 청정연료인 수소 저장·운반체로 주목받고 있다.
암모니아 생산은 100년 넘게 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 사용하고 있다. 이 공정은 400℃ 이상 고온과 대기압의 200배에 달하는 고압이 필요해 막대한 에너지를 소모한다. 이산화탄소 배출량도 전 세계 배출량의 2% 이상을 차지할 정도로 많다.
백 교수팀은 기계화학적 암모니아 생산을 대안으로 떠올렸다. 기계화학적 공정은 쇠구슬을 밀폐된 용기 속에서 굴려, 질소(N₂)와 수소(H₂) 분자가 촉매와 충돌하며 반응하도록 유도하는 방식이다. 에너지 소비와 온실가스 배출을 획기적으로 줄일 수 있고 소규모·분산형 생산에도 적합하다. 암모니아를 필요로 하는 농업 현장 등에서 직접 제조 가능하다는 의미다.
백 교수팀은 소량의 질화규소(Si₃N₄)를 공정에 첨가해 생산 수율을 기존 대비 5.6배 끌어올렸다. 질화규소가 철 촉매 표면에 고밀도 결함을 형성해 질소 기체(N₂)를 원자 단위로 분리하고 이를 수소화하는 반응을 효과적으로 촉진한 결과다.
질화규소는 충격과 화학적 부식, 열에 강한 소재로 장시간 촉매 성능을 유지할 수 있다. 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘 원료로 만들 수 있어 재생에너지 폐기물 자원화에도 기여한다.
백종범 교수는 “저온·저압에서도 암모니아 생산 효율을 크게 높일 수 있어 국소 지역에서 직접 암모니아를 생산하는 '탈중앙화'에 기여할 것”이라며 “태양광 폐기물까지 자원화할 수 있는 만큼, 암모니아 생산의 탈탄소화와 자원순환이라는 두 과제를 동시에 해결할 수 있는 기술”이라고 말했다.
연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 7월 1일자 온라인판에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com