【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)·KENTECH(한국에너지공과대학교)·KAIST(한국과학기술원) 공동 연구팀이 차세대 친환경 암모니아 생산 기술의 효율을 획기적으로 높이는 데 성공해 학계의 주목을 받고 있다.
 ▲ 기본 전해질 (위)와 양이온 이오노머(아래)를 첨가한 전해질의 Li-NRR 반응 비교 © 포스텍 |
암모니아는 비료와 연료, 화학 산업 전반에 필수적으로 사용되는 물질로, 전 세계에서 연간 약 2억 톤이 생산된다. 그러나 현재 주류 공정인 ‘하버–보슈(Haber–Bosch)’ 방식은 500도 이상의 고온과 200기압 이상의 고압이 필요하며, 이 과정에서 발생하는 탄소 배출량은 전 세계 총 배출량의 약 1.4%에 달한다. 탄소중립 시대를 맞아 암모니아를 친환경적으로 생산할 수 있는 기술 개발이 시급한 과제로 떠오르고 있다.
최근 대안 기술로 주목받는 것은 전기를 이용해 고온·고압 없이 암모니아를 합성하는 ‘리튬 매개 질소 환원 반응(Li-mediated Nitrogen Reduction Reaction, Li-NRR)’이다. 하지만 반응이 일어나는 리튬 전극 표면이 불안정해, 투입된 전기 에너지의 상당 부분이 암모니아 생성이 아닌 부반응에 소모되는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제의 원인을 전극 표면에 형성되는 전기이중층에서의 음이온 반발 현상에서 찾았다. 전극 표면에는 전하가 집중되는데, 기존 구조에서는 암모니아 생성에 필요한 음이온이 전극에 접근하지 못하고 밀려나 반응 효율이 떨어진다는 점에 주목했다.
이에 연구팀은 전해질에 소량의 양전하 고분자 물질을 첨가해 전극 표면에 양전하 환경을 조성하는 새로운 전략을 제시했다. 그 결과 음이온이 안정적으로 모일 수 있는 계면이 형성되며 암모니아 생성에 유리한 반응 환경이 구축됐고, 불필요한 부반응은 크게 감소했다.
실험 결과, 암모니아 생성에 실제로 사용된 전기의 비율을 나타내는 파라데이 효율(Faradaic efficiency)은 90%를 넘어섰으며, 암모니아 생성 속도는 기존 대비 두 배 이상 향상됐다. 이러한 성과는 다양한 리튬염과 전압 조건에서도 일관되게 나타났고, 장시간 반응에서도 높은 안정성이 유지됐다.
POSTECH 화학공학과 용기중 교수는 “이번 연구는 탄소를 배출하지 않는 암모니아 생산 기술의 상용화를 앞당길 중요한 발판이 될 것”이라며 “비료 생산 과정의 탄소 배출을 줄이는 것은 물론, 재생에너지로 생산한 전기를 암모니아 형태로 저장·운송하는 새로운 에너지 시스템 구축에도 기여할 수 있다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 POSTECH 화학공학과 용기중 교수 연구팀, KENTECH 에너지공학부 김우열 교수 연구팀, KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 공동으로 수행했으며, 한국연구재단 ‘탄소제로그린암모니아사이클링 선도연구센터사업’의 지원을 받아 진행됐다. 연구 성과는 국제 에너지 분야 학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 게재됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
Korean Researchers Dramatically Improve Next-Generation 'Green Ammonia' Production Efficiency
A joint research team from POSTECH (Pohang University of Science and Technology), KENTECH (Korea Institute of Energy Technology), and KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) has successfully dramatically improved the efficiency of next-generation, eco-friendly ammonia production technology, attracting attention from the academic community.
Ammonia is an essential substance used in fertilizers, fuels, and the chemical industry, with approximately 200 million tons produced worldwide annually. However, the current mainstream process, the Haber–Bosch method, requires temperatures exceeding 500°C and pressures exceeding 200 bar, generating carbon emissions equivalent to approximately 1.4% of global emissions. As we enter the era of carbon neutrality, the development of eco-friendly ammonia production technology has emerged as an urgent priority.
A recently emerging alternative technology is the Li-mediated Nitrogen Reduction Reaction (Li-NRR), which uses electricity to synthesize ammonia without the need for high temperatures or pressures. However, the lithium electrode surface, where the reaction occurs, is unstable, limiting the consumption of a significant portion of the electrical energy used for side reactions rather than ammonia production.
The research team attributed this problem to the repulsion of anions within the electric double layer formed on the electrode surface. They noted that while charge is concentrated on the electrode surface, the anions required for ammonia production are repelled in conventional structures, reducing reaction efficiency.
In response, the research team proposed a novel strategy: adding a small amount of positively charged polymer to the electrolyte to create a positively charged environment on the electrode surface. This resulted in the formation of an interface where anions can stably gather, creating a favorable reaction environment for ammonia production and significantly reducing unnecessary side reactions.
The experimental results showed that the Faradaic efficiency, which represents the percentage of electricity actually used to produce ammonia, exceeded 90%, and the ammonia production rate more than doubled compared to previous models. This performance was consistent across a variety of lithium salt and voltage conditions, and high stability was maintained even over long-term reactions.
Professor Yong-Jung Ki of the Department of Chemical Engineering at POSTECH stated, "This research will serve as a crucial stepping stone for accelerating the commercialization of carbon-free ammonia production technology. It will not only reduce carbon emissions during fertilizer production, but also contribute to the development of a new energy system that stores and transports electricity generated from renewable energy in the form of ammonia."
Meanwhile, this research was jointly conducted by the research teams of Professor Yong-Jung Ki of the Department of Chemical Engineering at POSTECH, Professor Woo-Yeol Kim of the Department of Energy Engineering at KENTECH, and Professor Dong-Hwa Seo of the Department of Materials Science and Engineering at KAIST. The research was supported by the National Research Foundation of Korea's "Carbon-Zero Green Ammonia Cycling Leading Research Center Project." The research results were published in *ACS Energy Letters*, an international energy journal.
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