▲ 기계화학적 암모니아 합성에서 결함 유도 촉진 메커니즘 / 질화규소(Si3N4)가 철(Fe) 촉매 표면에 추가적인 결함을 생성해 암모니아 합성 효율을 높이는 메커니즘을 보여준다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

막대한 탄소 배출량으로 지적받아 온 암모니아 생산 방식에 혁신적인 변화를 가져올 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 특히 이 기술은 버려지는 폐태양광 패널까지 활용해 자원 순환과 탄소중립이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 '일석이조' 솔루션으로 주목받고 있다.

UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 질화규소(Si₃N₄)를 활용하여 기계화학적 암모니아 생산 공정의 수율을 기존 대비 무려 5.6배 향상시키는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 7월 1일 자로 온라인 출판되며 전 세계 과학계의 이목을 집중시키고 있다.

암모니아는 인류 식량 생산의 핵심이자, 최근에는 청정 에너지원인 수소의 효율적인 저장·운반체로도 각광받고 있어 그 수요가 폭발적으로 증가할 전망이다. 하지만 100년 넘게 사용되어 온 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정은 400℃ 이상의 고온과 200배에 달하는 고압을 필요로 해 막대한 에너지를 소모하며, 전 세계 이산화탄소 배출량의 2% 이상을 차지하는 '탄소 배출 주범'으로 꼽혀왔다.

이에 대한 대안으로 떠오른 것이 바로 기계화학적 암모니아 생산 방식이다. 이 공정은 쇠구슬을 밀폐된 용기 안에서 굴려 질소와 수소 분자가 촉매와 충돌하며 반응하도록 유도하는 방식으로, 에너지 소비와 온실가스 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 소규모·분산형 생산이 가능하여 암모니아가 필요한 농업 현장 등에서 직접 생산할 수 있다는 장점도 있다.

백종범 교수팀은 이 기계화학 공정에 소량의 질화규소를 첨가하는 혁신적인 아이디어를 적용했다. 분석 결과, 질화규소는 철 촉매 표면에 고밀도 결함을 형성하여 질소 기체를 원자 단위로 효과적으로 분리하고 이를 수소화하는 반응을 크게 촉진시키는 것으로 나타났다. 이로 인해 암모니아 생산 수율이 비약적으로 증가한 것이다.

특히 질화규소는 충격, 화학적 부식, 열에 모두 강해 촉매 성능을 오랫동안 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘 원료로도 제조가 가능하다는 점에서 더욱 큰 의미를 지닌다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2050년까지 전 세계에서 4,900만 톤 이상의 태양광 패널 폐기물이 발생할 것으로 예상되는데, 이번 기술은 이러한 재생에너지 폐기물을 고부가가치 자원으로 활용할 수 있는 가능성을 열었다.

백종범 교수는 "이번 기술은 저온·저압에서도 암모니아 생산 효율을 크게 높여, 국소 지역에서 직접 암모니아를 생산하는 '탈중앙화'에 기여할 수 있다"며, "태양광 폐기물까지 자원화할 수 있어 암모니아 생산의 탈탄소화와 자원 순환이라는 두 가지 주요 과제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 기술"이라고 강조했다.

논문명은 Mechanochemical ammonia synthesis enhanced by silicon nitride as a defect-inducing physical promoter이다.