기존 대비 7배 높은 효율, 저온·저압서 암모니아 생산 가능해져

KAIST(총장 이광형) 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 수소 경제의 핵심 기술인 암모니아 생산을 획기적으로 개선할 수 있는 고성능 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다. 이번에 개발된 촉매는 기존 촉매 대비 성능이 7배 이상 뛰어나, 세계 최고 수준으로 평가받고 있다.

혁신적인 저온·저압 암모니아 합성 촉매 개발

현재 암모니아는 철(Fe) 기반의 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 통해 제조되고 있다. 그러나 이 공정은 500℃ 이상의 높은 온도와 100기압 이상의 압력이 필요하며, 엄청난 에너지 소비와 함께 많은 이산화탄소를 배출해 환경적 문제가 제기되고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 최 교수팀은 루테늄(Ru) 촉매와 강한 염기성을 가진 산화바륨(BaO) 입자를 탄소 표면에 결합한 새로운 형태의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 낮은 온도와 압력에서도 암모니아 합성 효율을 기존 대비 7배 이상 높이는 성과를 달성했다.

새로운 촉매의 원리 ‘화학 축전’ 현상 규명

연구팀은 이번 연구에서 산화바륨과 루테늄 촉매의 계면에서 일어나는 ‘화학 축전(chemical capacitance)’ 현상을 최초로 규명했다. 수소 분자는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해된 뒤 다시 양성자(H⁺)와 전자(e⁻) 쌍으로 나뉘는데, 산화바륨(BaO)이 양성자를 저장하고, 루테늄과 탄소 표면이 전자를 분리하여 저장한다는 원리다.

연구팀은 탄소의 나노구조를 최적화하여 루테늄 촉매의 전자 밀도를 높이는 데 성공했고, 이를 통해 저온·저압 조건에서도 효율적인 암모니아 생산이 가능하다는 점을 입증했다.

친환경 수소 경제 활성화 기대

이 기술은 그린 수소를 이용한 저온·저압 암모니아 합성을 현실화할 수 있어, 기존의 고온·고압 대규모 공정에서 벗어나 소규모로 분산 생산이 가능해지는 장점이 있다. 이를 통해 에너지 소비량과 이산화탄소 배출량을 크게 줄이고, 수소 경제 활성화에도 기여할 것으로 기대된다.

연구를 주도한 KAIST 최민기 교수는 “이번 연구로 전기화학뿐 아니라 열화학적 촉매 반응에서도 내부 전자 이동 조절을 통해 촉매 활성을 극대화할 수 있다는 점을 밝혔다”며, “향후 친환경적이고 경제적인 암모니아 생산 방식의 전환점이 될 것”이라고 강조했다.