울산과학기술원(UNIST)은 수소연료 저장체로 각광받고 있는 암모니아를 햇빛과 폐수만으로 이산화탄소 배출 없이 만드는 방법을 개발했다고 14일 밝혔다.
UNIST에 따르면 이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 이재성 교수팀, 한양대 화학공학과 장윤정 교수, 중국 쓰촨대 재료과학과 허민 장(Hemin Zhang)교수 와의 협력을 통해 이뤄졌다.
비료 원료로 주로 사용되는 암모니아는 최근 수소를 저장하는 물질로 주목받고 있다. 문제는 청정 에너지 수소를 옮기는데 사용하기 위한 암모니아를 만들면서 배출되는 이산화탄소가 전 세계 탄소배출량의 1.8%를 차지한다는 점이다.
이 때문에 질소를 물에 녹인 후 전기분해 방법으로 암모니아를 생산하는 방법이 주목받고 있지만 질소가 물에 잘 녹지 않는데다가 화석연료로 만든 전기를 써야 한다는 문제가 있다.
연구팀은 물에 잘 녹는 질산염의 특성을 활용해 이를 해결할 방안을 제시했다. 또 전기 대신 자체 개발한 광촉매를 썼다. 광촉매가 햇빛을 직접 받아 만든 전자(광전자)로 질산염을 환원시켜 암모니아가 합성되는 방식이다.
실험결과 이 광촉매를 활용해 아주 낮은 전압에서도 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 만들 수 있었다. 높은 반응 선택도는 광전자가 질산염 환원 반응에만 효율적으로 쓰였다는 의미다.
실리콘 나노와이어가 고르게 정렬된 광촉매의 구조 특성과 나노와이어 표면에 잘 부착된 미량의 금 입자 성분 등 덕분에 이러한 높은 효율을 얻었다는 것이 연구팀의 설명이다.
실제로 연구팀은 반도체 물질인 실리콘을 나노미터 크기의 끈 형태로 만든 실리콘 나노와이어 광촉매를 이용해 저전압 상황에서도 질산염을 95.6% 환원시켜 암모니아를 만드는데 성공했다.
이재성 UNIST 교수는 “이번 연구는 암모니아 생산과정에서 나오는 이산화탄소도 잡고 폐수 속 질산염도 처리할 수 있도록 한 것”이라며 “광촉매 효율과 안정성을 보완한다면 태양광만으로 암모니아를 생산할 수 있는 이상적인 그린 기술”이라고 말했다.
울산=조원일 기자 wcho@kmib.co.kr
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