에너지연, 수소 가스 없이 '물'로 그린 암모니아 합성 성공

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 기존 고분자 분리막의 상시적 크로스오버 문제를 근본적으로 해결하고 수소 가스 대신 물을 직접 활용해 탄소 배출을 줄이는 친환경 그린 암모니아 합성 공정 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 청정연료연구실 김재형 박사 연구팀이 팔라듐 막의 수소 저장 능력과 바이폴라 전기화학 현상을 결합해 물 등 다른 불순물의 이동은 막고 수소 이온만 골라 전달하는 신개념 금속 분리막 원리를 규명했다고 15일 밝혔다.

기존 고분자 이온 교환막은 내부 물 채널을 따라 이온이 이동하는 구조 탓에 반응물과 용매가 섞이는 크로스오버(Crossover) 현상이 발생해 전기화학 장치의 효율과 안정성을 낮췄다.

이에 연구진은 수소 흡수 특성을 가진 팔라듐 막을 도입해 전기장 인가 시 수소 이온이 팔라듐 표면에서 수소 원자로 전환돼 금속 내부를 확산·통과한 뒤 반대편에서 다시 수소 이온으로 빠져나오는 3단계 이온 전달 메커니즘을 완성했다.

이는 백금이나 니켈 등 타 금속에서는 불가능한 기작으로, 팔라듐 내 수소 저장량이 늘어날수록 전달 효율이 높아짐을 확인했다.

연구진은 서울대 황윤정 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 이 분리막을 리튬 매개 전기화학적 암모니아 합성 공정에 적용했다.

암모니아 합성부(환원극)에 물이 유입되면 성능이 급격히 저하되는 특성 때문에 기존에는 수소 가스를 직접 투입했으나 이번 팔라듐 막을 통해 국내 최초로 물에서 직접 수소 이온을 추출해 암모니아를 합성하는 데 성공했다.

실험 결과 물의 크로스오버 없이 암모니아 합성 패러데이 효율 51%를 기록했으며, 12시간 동안 50% 수준의 효율을 안정적으로 유지했다.

아울러 유기 용매 전해질에 용해된 리튬 염의 음이온 종이 암모니아 합성 효율을 결정짓는 주요 변수임을 확인했다.

김재형 박사는 "그린 암모니아 합성뿐만 아니라 엄격한 물질 분리가 요구되는 수전해, 레독스 플로우 배터리 등 다양한 전기화학 장치로 기술을 확장할 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 지원으로 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 게재됐다.