심욱 켄텍 교수 연구팀, 고효율 암모니아 생산 위한 촉매 개발

저에너지 반응경로를 거치는 V2O3/VN 하이브리드 전기촉매./사진제공=한국에너지공과대학교

한국에너지공과대학교(이하'켄텍')은 심욱 교수 연구팀이 저에너지 반응 경로를 거치는 전기화학적 질소 환원 반응(NRR)을 통해 고효율 암모니아 생산을 촉진시키는 핵심소재를 개발했다고 14일 밝혔다.

최근 몇 년간 수소에너지에 대한 관심이 높아지면서 관련 연구도 활발하게 이뤄지고 있다. 그 중에서 저장과 운반이 다소 까다로운 수소를 암모니아를 통해 해결하고자 하는 노력이 꾸준히 진행되고 있다.

대표적인 암모니아 생산 공정인 하버-보슈(Haber-Bosch)법은 고온, 고압의 반응조건과 더불어 이산화탄소를 많이 배출하는 환경 문제를 일으킨다. 이를 대체하기 위한 친환경적 방법으로 전기화학적 NRR이 대두되고 있다.

하지만 전기화학적 NRR은 다소 복잡한 다단계의 반응으로 이뤄져 상당한 에너지를 요구하고, 현재까지 개발된 촉매는 질소를 암모니아로 전환하는 과정이 매우 제한적이었다.

심 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 V2O3와 VN이 이종 계면에서 일관되게 공존하는 산화바나듐/질화물(V2O3/VN) 하이브리드 전기촉매를 설계, 개발했다.

개발된 V2O3/VN 하이브리드 전기촉매는 교대 반응 경로를 제공해 직렬 NRR 경로의 각 재료에 대해 더 낮은 에너지 경로를 선택할 수 있다. 그 결과 암모니아 수율은 219.6 μg h-1cm-2 였으며, 패러데이 효율은 18.9 %로 단일상 VN, V2O3, VNxOy 고용체 촉매를 적용하지 않은 촉매에 비해 훨씬 높았다.

심 교수는 "제 1저자인 안태용 박사과정생을 비롯, 연구팀은 재료 과학분야의 권위있는 학술지인 SusMat (피인용지수 26.1)의 최신호에 게재 예정이다"며 "이번 연구를 통해 NRR의 효율적인 저에너지 진행에 유리한 단계를 유도하는 고효율 전기화학적 촉매를 합성하기 위한 새로운 전략을 제공할 수 있는 계기를 마련했다"고 말했다.