울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과는 질화규소를 활용한 기계화학적 암모니아 생산 공정에서 기존 대비 5.6배 높은 수율을 달성했다고 9일 밝혔다.

백종범 교수팀이 개발한 이 기술은 기존 하버-보슈 공정의 한계를 극복할 대안으로 주목받는다. 하버-보슈 공정은 400℃ 이상의 고온과 대기압의 200배에 달하는 고압 조건이 필요해 막대한 에너지를 소비하며 전 세계 이산화탄소 배출량의 2% 이상을 차지한다.

연구팀이 주목한 기계화학적 암모니아 생산 방식은 밀폐된 용기 속에서 쇠구슬을 굴려 질소와 수소 분자가 촉매와 충돌하며 반응하도록 유도하는 공정이다. 에너지 소비와 온실가스 배출을 획기적으로 줄일 수 있으며 소규모·분산형 생산에도 적합해 농업 현장 등에서 직접 제조가 가능하다.

핵심은 소량의 질화규소를 첨가하는 것이다. 질화규소는 철 촉매 표면에 고밀도 결함을 형성해 질소 기체를 원자 단위로 분리하고 수소화 반응을 효과적으로 촉진한다. 충격과 화학적 부식, 열에 모두 강한 특성으로 장시간 촉매 성능을 유지할 수 있다.

특히 질화규소는 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘 원료로 제조할 수 있어 재생 에너지 폐기물의 고부가가치 자원화 가능성도 높다. 국제에너지기구는 2050년까지 전 세계에서 4900만톤 이상의 태양광 패널 폐기물이 발생할 것으로 전망한다고 발표했다.

백종범 교수는 "이번 기술은 저온·저압에서도 암모니아 생산 효율을 크게 높일 수 있어, 국소 지역에서 직접 암모니아를 생산하는 탈중앙화에 기여할 수 있다"며 "태양광 폐기물까지 자원화할 수 있는 만큼, 암모니아 생산의 탈탄소화와 자원 순환이라는 두 과제를 동시에 해결할 수 있는 기술"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 7월 1일 자로 온라인 출판됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.