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연구진이 개발한 기술의 성능을 실험하고 있다. / 에너지연 제공

[투데이에너지 임자성 기자] 화석연료나 수소 가스 대신 '물'에서 직접 수소 이온을 뽑아내 암모니아를 합성하는 새로운 친환경 공정 기술이 국내 연구진에 의해 열렸다. 기존 고분자 분리막의 고질적 난제였던 불순물 혼입(크로스오버)을 팔라듐 금속막으로 원천 차단하면서 상온·상압 청정 암모니아 상용화에 중요한 전기를 마련했다.

한국에너지기술연구원 청정연료연구실 김재형 박사 연구팀은 서울대학교 황윤정 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 팔라듐 막이 물속에서 수소 이온만 선택적으로 투과시키는 특성을 규명하고 이를 전기화학적 암모니아 합성 공정에 적용해 성능을 입증했다.

전기화학적 암모니아 합성은 물을 전기분해해 얻은 수소 이온과 질소를 반응시켜 암모니아를 만드는 기술로, 재생에너지를 전력원으로 사용해 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 청정 기술이다. 하지만 실제 합성이 일어나는 유기 용매 전해질에 물이 조금이라도 섞여 들어가면 효율이 급격히 떨어지는 치명적인 약점이 있었다.

기존의 고분자 이온 교환막은 미세한 물 통로를 통해 이온을 전달하는 구조여서, 수소 이온이 이동할 때 물 분자까지 함께 넘어가는 '크로스오버' 현상을 피할 수 없었다. 물 유입을 막기 위해 통로를 줄이면 이온 전도성까지 함께 떨어져 그동안은 물 대신 수소 가스를 직접 주입하는 우회 방식을 취해왔다.

연구진은 수소를 원자 상태로 흡수·확산시키는 팔라듐 금속의 특성에 주목했다. 전기장이 가해지면 물에서 발생한 수소 이온이 치밀한 구조의 팔라듐 막 표면에서 수소 원자로 전환돼 금속 내부를 통과한 뒤, 반대편에서 다시 수소 이온으로 방출되는 메커니즘을 규명했다. 물을 포함한 용매 분자와 반응물은 틈새가 없는 금속 격자를 통과하지 못해 완벽히 차단된다.

이를 리튬 매개 질소 환원 반응 시스템에 적용한 결과, 물 크로스오버 없이 51%의 암모니아 합성 패러데이 효율을 달성했다. 아울러 연속 12시간 동안 50% 수준의 높은 효율을 안정적으로 유지하는 데 성공했다.

연구를 주도한 김재형 선임연구원은 "이번 연구는 전기화학 반응 시스템의 오랜 걸림돌인 크로스오버를 해결할 새로운 이온 전달 메커니즘을 제시한 것"이라며 "그린 암모니아 합성뿐 아니라 엄격한 물질 분리가 요구되는 수전해, 레독스 플로우 배터리 등 다양한 전기화학 장치로 확장 적용할 수 있다"고 설명했다.

국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 진행된 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 6월호에 게재됐다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)