서울 친환경 에너지를 저장하고 운반하는 핵심 물질인 암모니아를 더 효율적으로 만들 수 있는 기술이 개발됐다.

서울대학교 공과대학 화학생물공학부 정유성 교수 연구팀은 암모니아를 만드는 과정에서 방해가 되는 수소 발생 반응은 억제하고, 암모니아를 만드는 질소 환원 반응은 그대로 유지할 수 있는 새로운 촉매 설계 원리를 개발했다고 밝혔다.

암모니아는 수소를 많이 저장할 수 있고 상온에서 액체 상태를 유지해 운반이 쉽다. 이 때문에 풍력이나 태양광으로 생산한 에너지를 필요한 곳으로 옮길 수 있는 차세대 친환경 에너지 운반체로 주목받고 있다. 그러나 기존의 전통적인 암모니아 합성법(하버-보슈법)은 고온·고압 조건이 필요하고 에너지 소비와 탄소 배출이 많다. 이를 대체하기 위해 물과 질소, 전기에너지만으로 암모니아를 생산하는 전기화학적 질소 환원 반응*이 주목받고 있지만, 암모니아보다 수소가 먼저 생성돼 생산 효율이 크게 떨어지는 한계가 있었다.
* 질소 환원 반응: 공기 중의 질소를 전기화학적으로 환원시켜 암모니아를 합성하는 기술

연구팀은 반응에 참여하는 분자의 구조를 조절해 수소 발생만 선택적으로 억제하는 새로운 촉매 설계 원리를 제시했다. 이번 연구는 친환경 암모니아 생산 효율 문제를 극복하는 동시에, 향후 각 가정과 산업 현장에 탄소 배출 없는 친환경 암모니아 기반 수소 에너지를 안정적으로 공급할 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 1879년 창간된 미국화학회(American Chemical Society)의 대표 학술지이자, 화학 전 분야에서 국제적인 권위를 인정받는 국제학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)에 7월 22일 게재됐다.

연구팀은 기존 접근법과 달리, 반응 환경 자체를 설계하는 새로운 접근법에 주목했다.

기존에는 수소 발생 반응을 줄이기 위해 전해질의 산도를 조절하는 등 반응물인 ‘양성자(Proton)’를 제어하는 것에 집중했다. 하지만 양성자는 암모니아 합성에도 사용되기 때문에 이를 줄이면 수소 발생 반응뿐 아니라 질소 환원 반응도 함께 억제되는 문제가 발생했다.

이에 연구팀은 질소 환원 활성은 그대로 유지하면서 수소 발생 반응만 선택적으로 차단하는 새로운 접근법을 제안했다. 아이디어는 자연에서 착안했다. 자연에서는 단백질이 흔히 촉매 역할을 하며 모양이 알맞게 들어맞는 물질만 선택적으로 반응시키는데, 이러한 원리를 전기화학 반응에 적용한 것이다.

연구팀은 양성자 주개(Proton donor)*의 입체 구조를 제어해 수소 발생 반응의 첫 단계인 ‘볼머 반응(Volmer reaction)’*의 에너지 장벽을 크게 높이는 데 성공했다.
* 양성자 주개: 다른 물질에 양성자(수소 이온)을 내놓는 산 역할을 하는 물질
* 볼머 반응: 수소 발생 반응의 첫 번째 단계로, 전극 표면에 수소 입자가 흡착되는 과정을 말함

핵심은 반응 대상의 ‘기하학적 위치 차이’에 있다. 마치 ‘테트리스’ 게임에서 모양에 맞지 않게 블록을 쌓으면 진행이 어려워지는 것처럼, 입체 장애가 커지면 수소 발생 반응에 필요한 양성자의 전극 접근이 어려워져 반응속도가 현저히 느려진다. 반면 질소 환원 반응은 양성자가 전극 표면이 아닌, 촉매 표면에 바깥쪽으로 튀어나와 있는 질소 분자로 향하기 때문에 입체 장애에 따른 영향(에너지 장벽 변화)을 거의 받지 않는다. 즉 입체적 장애물을 이용해 전극 표면 접근만 방해함으로써 수소 발생 반응은 억제하고 질소 환원 반응은 유지되도록 만든 것이다.

아울러 미세동역학 모델링(microkinetic modeling)* 시뮬레이션을 통해, 입체 장애가 클수록 높은 패러데이 효율*이 넓은 전압 범위에 걸쳐 안정적으로 유지된다는 점도 확인했다.
* 미세동역학 모델링: 화학 반응의 거동을 각 반응 중간체의 반응속도에 대한 미분방정식을 풀이해 살펴볼 수 있는 모델링 기법
* 패러데이 효율 (Faradaic Efficiency): 공급된 총 전하 중 우리가 원하는 특정 화학 반응 생성에 실제 사용된 비율

이번 연구는 기존에 최대 70% 수준에 머물던 전기적 질소 환원 반응의 패러데이 효율을 100%에 가깝게 높일 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이번 연구를 통해 대규모 화학 공장 없이 재생에너지 발전소 인근에서 친환경 암모니아를 생산해 필요한 곳으로 운반·활용하는 기반을 마련함으로써, 청정 수소 경제 실현에 기여할 것으로 기대된다.

또한 이산화탄소 환원 반응 등 경쟁 반응 제어가 중요한 다양한 전기화학 촉매 시스템에도 폭넓게 활용될 것으로 보고 있다. 정유성 교수 연구팀은 향후 다른 전기화학 반응으로 확장하고, 상용화를 앞당기고자 해당 기술을 적용할 수 있는 고활성의 촉매 물질 발굴에 나서 선택성과 활성 모두 우수한 촉매 시스템 설계에 나설 계획이다.

정유성 교수는 “이번 연구는 그동안 기술적 한계가 명확했던 전기적 질소 환원 반응에서, 경쟁 반응만을 콕 집어 억제할 수 있는 정교한 계면 설계 방식을 제안했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “친환경 암모니아 생산뿐만 아니라 다양한 계면 전기화학 반응의 효율 개선에도 두루 응용할 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 논문은 서울대학교 화학생물공학부의 박동민 박사와 정유성 교수 연구실 박사 졸업생인 캐나다 토론토대학교(University of Toronto) 화학과 최창혁 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 서울대 화학공정신기술연구소 연수연구원으로 재직 중인 박동민 박사는 밀도범함수이론과 다중스케일 시뮬레이션을 활용한 촉매 연구를 수행하고 있다. 최창혁 박사는 토론토대학에서 인공지능을 활용한 신소재 발굴 및 자율형 실험실 연구를 수행 중이다.

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 선도연구센터지원사업(2021R1A5A1030054), 디지털연구혁신선도기관육성사업(RS-2023-00283902), STEAM 연구사업(RS-2024-00464386)의 지원을 받아 수행됐으며, 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온의 자원을 지원받았다.

참고 자료

· 논문명/저널: Steric Hindrance of Proton Donors Modulates Heterogeneous Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction Selectivity in Nonaqueous Electrolytes, Journal of the American Chemical Society
· DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.6c07080

웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/