식량 생산에 중요한 물질인 암모니아는 최근 청정연료인 수소의 저장·운반체로도 주목받고 있어 그 수요가 더 늘 것으로 전망된다.
문제는 암모니아의 생산 방식에 있다. 암모니아는 100년 넘게 하버-보슈 공정으로 생산돼 왔다.
이 공정은 400℃ 이상 고온과 대기압의 200배에 달하는 고압이 필요해 막대한 에너지를 쓸 뿐만 아니라, 이산화탄소 배출량이 전 세계 배출량의 2% 이상을 차지할 정도로 많다.
기계화학적 암모니아 생산이 대안으로 떠오르는 이유다. 이는 쇠구슬을 밀폐된 용기 속에서 굴려 질소와 수소 분자가 촉매와 충돌하며 반응하도록 유도하는 방식이다.
이 방식은 에너지 소비와 온실가스 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 소규모·분산형 생산에도 적합하다.
연구팀은 소량의 질화규소를 공정에 첨가해 이 공정에서 암모니아 수율을 기존보다 5.6배 끌어올렸다.
분석 결과 질화규소가 철 촉매 표면에 고밀도 결함을 형성해 질소 기체를 원자 단위로 분리하고, 이를 수소화하는 반응을 효과적으로 촉진하는 것으로 나타났다.
질화규소는 충격과 화학적 부식, 열에 모두 강한 소재로, 장시간 촉매 성능을 유지할 수 있다. 또 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘 원료로 만들 수 있다.
백 교수는 “이번 기술은 국소지역에서 직접 암모니아를 생산하는 ‘탈중앙화’에 기여할 수 있다”며 “태양광 폐기물까지 자원화할 수 있는 만큼 암모니아 생산의 탈탄소화와 자원순환이라는 두 과제를 동시에 해결할 수 있는 기술”이라고 말했다. 이다예기자
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