UNIST, 폐수에서 ‘그린 암모니아’ 뽑아내는 태양광 시스템 개발

- 폐수 속 질산염 환원시켜 암모니아 만드는 광전기화학시스템 

- 기존 최고 기록보다 57% 뛰어난 생산 성능 기록

햇빛을 이용해 이산화탄소 배출 없이 오염물질인 질산염을 암모니아(NH₃)로 환원하는 친환경 광전기화학(Photoelectrochemical) 시스템. (자료제공: UNIST)

개발된 PEC 시스템의 성능 (a) 25 cm² 규모의 대면적 PEC 모듈 시연 이미지. (b) 개발된 PEC 시스템의 암모니아 생성 속도를 기존 기술들과 비교한 그래프. (자료제공: UNIST)

폐수 속 질산염을 고부가가치 에너지원인 암모니아로 바꾸는 기술이 나왔다. 생산과정에서 이산화탄소 배출이 없는 그린 암모니아를 만들고, 폐수 속 오염물질도 정화할 수 있게 됐다. 

UNIST(총장 박종래)는 에너지화학공학과 서관용·장지욱 교수팀이 햇빛을 이용하여 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 기술을 개발했다고 7월 23일 밝혔다.

암모니아는 연간 1억 5천만 톤 이상 소비되는 산업·농업 필수 화학물질이자, 수소 함량이 높아 차세대 에너지 저장·운송체로 주목받고 있다. 하지만 현재 암모니아는 그 생산량의 90% 이상을 고온·고압 조건의 하버-보슈 공정에 의존하고 있어 막대한 온실가스가 배출된다.

연구팀은 태양광으로 이산화탄소 배출 없이 암모니아를 만드는 광전기화학(PEC) 시스템을 개발했다. 폐수 속 질산염을 원료로 하는 기술이다. 질산염은 고농도일 경우 청색증, 위장암 등을 유발하는데, 이 시스템은 질산염을 선택적으로 환원시켜 암모니아로 바꾼다. 

시스템은 실리콘 광전극과 니켈포일촉매로 구성돼 있다. 실리콘 광전극이 햇빛을 받아 전자를 만들면, 이 전자가 니켈 촉매를 통해 질산염 환원 반응을 유도하게 된다. 

니켈 촉매 표면에 얇게 생기는 니켈 하이록사이드가 수소 발생 같은 경쟁 반응을 억제하고 암모니아 선택성을 높이는 데 주효한 것으로 이 분석됐다. 이 반응 메커니즘은 실험뿐 아니라 양자역학 기반 계산(DFT 시뮬레이션)을 통해서도 입증됐다. UNIST 물리학과 최근수 교수는 Ni와 Ni(OH)₂ 표면에서의 질산염 환원 경로와 에너지 장벽을 비교 분석해, Ni(OH)₂가 암모니아 생성에 유리한 활성점을 제공한다는 사실을 확인했다.

실험 결과, 이 시스템은 외부 전원 없이도 554 μg cm⁻² h⁻¹의 암모니아를 생산해, 광전기화학(PEC) 기반 기술 중 세계 최고 수준의 성능을 기록했다. 이는 기존 최고 성과(554 μg cm⁻² h⁻¹)보다 57% 이상 향상된 수치다. 또 25 cm² 규모의 대면적 장치에서도 동일한 성능이 유지돼, 실제 응용 가능성도 입증됐다.

서관용 교수는 “오염물질인 질산염을 차세대 에너지원인 암모니아로 바꾸면 수질 정화와 탄소중립을 동시에 달성할 수 있다”며 “향후 실리콘 기반 광전기화학 장치를 실제 야외에서도 암모니아를 생산할 수 있는 대면적 장치로 제작해 실증하는 연구를 계획 중”이라고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, UNIST 연구지원본부의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 6월 22일 온라인 개재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]