‘수소 발생 반응 지연’ 방식으로 화학 첨가물 없이 국내 최고 수준 생산 효율 달성
재생에너지 연계한 ‘그린 암모니아’ 생산 및 수소 저장·운반 기술 활용 기대

국내 연구진이 수소경제의 핵심인 ‘그린 암모니아’를 상온에서 제조할 수 있도록 하는 텅스텐과 바나듐 기반 촉매를 개발해 주목받고 있다.

암모니아는 비료의 핵심 원료이자, 수소를 저장·운반하는 에너지 운반체로 주목받고 있다. 하지만 암모니아 생산은 400℃가 넘는 고온과 높은 압력이 필요하고 대부분 화석연료에 의존한다. 이 과정에서 발생하는 이산화탄소가 전 세계 에너지 부문 배출량의 1~2%에 이른다. 최근에는 전기를 이용해 암모니아를 만드는 친환경 기술이 대안으로 제시됐지만, 암모니아보다 수소가 먼저 만들어져 생산 효율이 낮았다.

국내 연구진이 이 문제를 해결했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한물성소재연구센터 정소희 박사 연구팀은 명지대학교 김수연 교수팀과 공동으로, 전기화학적 암모니아 생산 과정에서 수소 발생을 늦춰 상온·상압에서 암모니아 생산 효율을 높이는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이번 성과는 탄소중립과 수소경제 전환에 필요한 청정 암모니아 생산 원천기술 확보를 향한 KIST 소재·촉매 연구 역량의 결실이다.

암모니아를 만들려면 질소(N2)가 촉매 표면에서 수소(H)와 만나야 한다. 하지만 수소(H)끼리 먼저 만나면 암모니아 대신 수소 기체(H2)가 만들어진다. 기존에는 이를 막기 위해 수소가 촉매에 잘 붙지 않도록 했지만, 암모니아 생성에 필요한 수소까지 부족해지는 문제가 있었다. 연구팀은 발상을 뒤집어 수소를 촉매에 단단히 붙잡아두고, 기체로 빠져나가기 전에 질소와 반응하도록 했다. 연구팀이 제시한 ‘지연된 수소 발생 반응’ 기술이다.

연구팀은 촉매 표면의 텅스텐과 바나듐이 서로 협력해 수소와 질소를 동시에 잘 붙잡는 구조를 만들었다. 개발한 촉매는 상온·상압에서 촉매 1mg당 시간당 381.3마이크로그램의 암모니아를 생산했으며, 투입한 전기 중 암모니아 생산에 사용된 비율은 13.0%를 기록했다. 별도의 화학 첨가물이 없는 순수 촉매 기준으로 국내 최고 수준의 생산 효율이다. 30시간 동안 성능도 안정적으로 유지됐으며, 촉매 면적을 30배 확대한 조건에서도 기존 성능의 약 80%를 유지해 면적 확대 가능성도 확인했다.

이 기술을 태양광·풍력 등 재생에너지와 결합하면 기존 공정의 에너지 소비와 탄소 배출을 줄이는 친환경 ‘그린 암모니아’ 생산 기술로 발전할 수 있다. 재생에너지 확대와 데이터센터 전력 수요 증가로 장기 저장·운송이 가능한 청정수소 공급망 구축이 중요해지는 가운데, 암모니아는 단위부피당 많은 수소를 저장할 수 있어 수소의 주요 운송·저장 매체로 활용될 수 있다. 향후 암모니아 연료전지와 선박·대형 운송수단의 친환경 무탄소 연료 등으로 활용 범위가 확대되면 전력망 안정화와 산업·수송 부문의 탈탄소화에도 기여할 것으로 기대된다.

KIST 정소희 선임연구원은 “암모니아 생산을 방해하던 수소 발생을 단순히 막는 대신 늦춤으로써 상온·상압에서 암모니아 생산에 활용하는 새로운 방법을 제시했다”며, “앞으로 대면적 촉매와 연속 생산 기술을 개발해 상용화 가능성을 높이겠다”고 밝혔다.