질소산화물을 암모니아로 합성할 수 있는 촉매 개발

에너지과학기술대학원 이규복 교수 연구팀이 대기오염물질인 질소산화물(NOx)을 그린수소 전달체인 암모니아(NH3)로 효율적으로 합성할 수 있는 촉매를 개발했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야의 국제적인 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 15.1) 10월호 온라인판에 게재됐다. 이번 연구는 충남대 에너지과학기술대학원 시라누시 비달랸 박사과정생과 충남대 에너지융합연구소 아누쉬 므노얀 박사가 공동 제1저자로, ㈜블루텍의 연구소장인 김동연 박사와 이규복 교수가 공동교신저자로 참여했다.(논문 제목: Ferrous-immobilized iron saccharide complexes for electro-synthesis of ammonia via NORR)

2차 미세먼지를 형성하는 주요 원인물질인 질소산화물(NOx)은 화력발전소 등의 연소과정에서 배출되는 오염물질로서 주요국들은 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해 상용공정 선택적환원촉매법(SCR)을 활용하고 있다.

하지만 SCR 공정은 아민계열의 환원제인 암모니아 또는 요소수를 주기적으로 소모함은 물론, 공간활용도가 낮고 설치 비용이 비싸며, 고농도 질소산화물(NOx)에는 대응할 수 없는 문제점이 있다.

※ 질소산화물(NOx) : 일산화 질소와 이산화 질소(NO, NO2)를 함께 부르는 데 쓰이며, 연소, 특히 고온 연소에서 많이 발생하며 미세먼지 발생의 주요 원인이다.

※ 암모니아(NH3) : 질소와 수소로 이루어진 화합물로 20세기 초에 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 이용한 암모니아 합성법을 개발해 요소 비료를 대량 생산할 수 있게 됐다. 최근에는 무탄소 연료인 수소 전달체로써 중요성이 더욱 강조되고 있다.

이에 이규복 교수팀은 산학 협력을 통해 ㈜블루텍의 ‘전기화학적 질소산화물 전환기술’을 활용함으로써 고농도의 질소산화물(NOx)을 암모니아(NH3)로 전환하고, 전환된 암모니아(NH3)를 연소설비의 연료로 재투입하는 신규 공정을 개발했다.

이번 연구에서 연구팀은 전기화학적 질소산화물 환원 반응(e-NORR)을 위한 효율적인 전기 화학 촉매로써 자당(sucrose)과 과당(fructose) 리간드를 기반으로 한 안정한 고체상의 철(Fe2+)당 복합체를 개발했으며, 연구팀의 촉매는 기존에 액상형태로 사용된 철(Fe2+)에 비해서 질소산화물(NOx)-암모니아(NH3)의 전환 효율이 높고, 대량 생산 공정에 적용을 위한 대면적 전극에 코팅할 수 있다는 큰 장점이 있다.

이규복 교수는 “최근 탄소중립을 위해 전 세계적으로 무탄소연료인 암모니아를 활용하는 시도가 활발하게 이루어지고 있는 현 상황에서 암모니아의 고온 연소에 따른 유해물질 NOx를 단순 제거하는 것이 아닌 암모니아로 전환해 순환시키는 연구 기술이 꼭 필요하다”며, “암모니아 연소 기술이 아직 완벽하게 상용화되지 않은 현시점에서 선제적인 기술 개발이 필요한 만큼 이번 연구에서 확보한 기술을 토대로 지속적인 산학 협력을 통해 빠른 상용화를 이룰 계획”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 중소기업진흥청의 산학연 ‘Collabo R&D 과제’의 지원을 받아 진행됐다. 

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145578