암모니아(NH3). 일반인들에겐 고약한 냄새가 나고, 벌 등에게 쏘였을 때 바르는 약 정도로 알려져 있지만, 비료와 플라스틱, 폭탄 등 모든 산업과 군사에 쓰이는 없어선 안될 물질이다. 최근에는 수소와 산소가 결합해 물과 전기를 만드는 연료전지의 수소 전달체로도 주목 받고 있다. 대기 중 질소를 100년전 고안된 ‘하버-보슈법’이라는 공정을 통해 합성하는 방법으로 주로 생산한다.
문제는 400도의 고온과 200기압의 고압에서 합성하다 보니 많은 에너지가 필요하다. 게다가 합성 과정에 엄청난 이산화탄소가 나온다. 전 세계 에너지의 1~2%가 암모니아 생산에 투입되고 이 과정에서 나오는 이산화탄소가 인류가 배출하는 전체 이산화탄소의 2~3%에 달한다고 할 정도다. 이산화탄소는 지구온난화를 부추기는 온실가스로 지목되고 있다.
이에 따라 세계 각국의 과학자와 기업 등에선 적은 에너지로 이산화탄소 배출 없이 효율적으로 합성하는 기술 개발에 열을 올리고 있다.
기존 암모니아 합성법의 문제를 일거에 해소해 줄 신개념 암모니아 합성법이 대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 연구팀에 의해 개발됐다. 상용화를 위해선 아직 갈 길이 많이 남았지만, 에너지 소비량을 획기적으로 줄이면서 이산화탄소를 배출하지 않는 합성법으로 주목 받고 있다.
디지스트는 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수 연구팀이 이산화탄소 배출 없이 전기분해방식 등으로 암모니아를 합성하는데 필요한 고효율 합성촉매를 개발했다고 13일 밝혔다. 샨무감 교수는 인도공대에서 화학과 박사학위를 받고 일본 와세다대학 조교수 등을 거쳐 2011년부터 디지스트 교수로 재직 중이다.
샨무감 교수가 고안한 합성법은 하버-보슈법이 고온고압의 환경을 요구하는 것과 달리 상온상압에서 이뤄진다. 고온고압을 유지하는데 필요한 막대한 에너지가 들지 않는다.
또 전기화학적인 방법으로 ‘질소환원반응’을 이용해 공기 중 질소를 수소와 결합, 암모니아를 합성한다. 기존 합성법은 주로 천연가스에 많이 포함된 메탄가스에서 수소를 추출하고, 이 과정에 이산화탄소를 많이 배출한다. 하지만 샨무감 교수의 합성법은 물을 전기분해해 수소를 얻기 때문에 이산화탄소를 배출하지 않는다. 연구팀은 “이를 위해선 고효율 촉매가 필수적인데, 신개념 촉매를 이용해 질소 환원 반응을 일으킬 경우 공기중 질소가 액체화하면서 암모니아를 합성할 수 있다”고 밝혔다.
샨무감 교수는 “이번에 개발한 촉매를 이용하면 합성단계를 한 단계로 줄일 수 있고, 합성과정에 이산화탄소가 나오지 않으며, 하버-보슈법에 비해 낮았던 효율성 문제도 해결했다”며 친환경 ‘탄소제로’ 합성법이라고 강조했다.
이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 BK21플러스사업을 통해 이뤄졌다. 연구결과는 에너지 및 환경분야 국제저널인 어플라이드 카탈리시스 B(Applied Catalysis B: Environmental) 온라인판 2월20일자에 실렸다.