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[사이언스] 미세먼지 원인물질 일산화질소 → 탄소배출 없이 100% 순수한 암모니아로 전환 기술 개발

청정수소 저장체로 활용... 탄소중립시대 앞당길 1석 2조 기술로 기대

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특허뉴스 염현철 기자
기사입력 2020/12/02 [14:37]

▲ 연구팀이 개발한 촉매 시스템을 활용한 질소 순환 모델 개념도 / 개발된 전기화학적 변환시스템을 이용해 지속 가능한 ‘질소 기반 수소 사이클’을 구축 할 수 있다. 신재생에너지 유래 전기 에너지를 이용해 미세먼지 전구체인 일산화질소(NO)를 유용한 암모니아로 변환시키고 이 암모니아를 비료 생산 및 수소 사회의 그린수소 저장체로서 활용하는 것이다  © 특허뉴스

 

 

비료, 의약품, 섬유 등 다양한 용도로 인간의 삶의 중심이 되어 온 암모니아는 탄소중립사회 구현을 위한 수소에너지의 저장체로 새롭게 각광 받고 있다. 수소 저장체로서의 암모니아는 무게대비 수소저장용량이 17.7wt%로 다른 액상 수소 저장체보다 월등히 높다. 또한, 수소를 방출할 때 질소 이외에 다른 부산물이 없다는 점에 친환경적이며, 기존 암모니아 수송 인프라를 활용할 수 있다는 점에서 높은 경제성 및 호환성을 자랑한다.

 

현재, 암모니아 대량 생산 기술은 하버-보슈(Haber-Bosch)법에 의존하고 있으나 고온·고압의 조건에도 낮은 효율 그리고, 대량의 이산화탄소를 배출하기 때문에, 이에 대한 대체기술로 상온·상압 및 신재생에너지 활용 친환경 암모니아 합성기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.

 

한편, 전기화학적 질소(N2) 전환을 통한 암모니아 합성의 경우, 열역학적으로 수소 발생 반응과의 경쟁으로 낮은 선택성 및 낮은 생산 효율로 상용화 기술로는 현재 한계가 있다.

 

미세먼지 전구체인 NO는 전기화학적 산화/환원 활성이 있으나 낮은 용해도 (1.94 mM, 25)로 인해 해당 환원반응의 물질전달한계(Mass Transfer Limitation) 및 낮은 암모니아 선택성을 나타내며, 이를 극복할 경우 환경 및 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 기술이 될 수 있다.

 

이러한 시기, 미세먼지 원인물질인 일산화질소(NO)를 탄소배출 없이 100% 순수한 암모니아(NH3)로 전환시키는 기술이 나왔다. 이렇게 만들어진 암모니아는 최근 각광받고 있는 청정수소 저장체로 활용할 수 있어서 탄소중립시대를 앞당길 12조 기술로 기대를 모으고 있다.

 

UNIST 에너지화학공학과의 권영국 교수팀은 임한권 교수팀, KAIST 김형준 교수팀과 미세먼지 전구체인 일산화질소 원료를 상온·상압에서 100% 암모니아로 변환시키는 전기화학시스템을 개발했다. 금속착화합물(FeIIEDTA)을 투입해 전해질속에서 일산화질소를 흡착하는 역할을 함으로써 일산화질소 용해도가 100배 이상 개선되고 부산물도 생성되지 않았다.

 

기존의 전기화학적 변환기술은 일산화질소가 전해질에 잘 녹지 않아 반응속도가 매우 느렸고, 일산화질소끼리 짝을 이뤄(N-N Coupling) 질소기체(N2) 등이 생성되는 부반응 부산물이 많아 활용성이 떨어졌다.

 

이번 기술은 기존의 암모니아 생산 공정(하버 보슈 공법)이 온실가스인 이산화탄소를 배출하는 단점도 극복했다. 또 공정 반응을 유도하기 위한 고온·고압의 복잡한 설비와 비용 부담도 크게 개선할 수 있을 전망이다.

 

본 연구를 주도한 권영국 교수는 액상 암모니아는 액화수소보다 단위 부피당 더 많은 수소를 저장 할 수 있어 수소 저장과 운송에 유리하다이번 기술 개발이 본격적인 수소 시대 개막을 앞당기는데 기여할 것으로 기대한다고 말했다.

 

이번에 개발된 전기화학 시스템은 표면에 나노 구조가 형성된 은(Silver) 촉매 전극에서 100시간 이상 100%에 가까운 일산화질소-암모니아 전환율을 보였다. 뿐만 아니라 용해도와 반응선택성을 높이는 금속착화합물도 철 기반 물질이라 안정성이 매우 높고 재사용이 가능하다.

 

예비경제성타당성 검사를 수행한 임한권 교수는 잉여 신재생 전기에너지를 활용하면 개발된 시스템이 장기적으로 기존 암모니아 생산 공법과 견줄만한 경제성을 갖출 수 있을 것이라고 설명했다.

 

권 교수는 미세먼지 계절관리제 시행과 질소산화물 환경부담금으로 배출원의 경제적 부담이 가중되고 있다미세먼지 원인을 제거하는 동시에 그린수소 저장체인 암모니아를 생산하는 기술로 경제적 부담을 완화시킬 수 있을 것이라고 기대했다.

 

이번 연구는 재료공학·전기화학 분야의 세계적 권위지인 ‘ACS Energy Letters’ 속표지 논문으로 선정돼 1113일에 출판됐다.

 

논문명은 Unveiling ElectrodeElectrolyte Design-Based NO Reduction for NH3 Synthesis 이다.

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미세먼지,일산화질소,암모니아,수소저장체,탄소중립시대,하버보슈법 관련기사

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