국내 연구진이 폐수와 폐플라스틱으로 암모니아와 화장품 원료인 글리콜산을 생산하는 기술을 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 조승호·송명훈 교수팀은 폐수 속 질산 오염물을 태양광 전기로 반응시켜 암모니아로 바꾸는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 암모니아 생산과정에서 폐플라스틱 유래 글리콜산도 만들어지는데, 글리콜산은 화장품에 사용되는 원료다.
연구진은 "태양광 전기를 이용하기 때문에 이산화탄소 배출없이 암모니아를 생산할 수 있다"면서 "탄소배출은 줄이고 폐플라스틱으로 고부가가치 물질을 생산할 수 있는 길이 열린 셈"이라고 했다.
연구팀은 양극(cathode)에서 암모니아를, 음극(anode)에서 글리콜산을 태양광 전기로 합성하는 광전기 화학시스템을 개발했다. 폐수 속 아질산염(NO2-)이 태양광전기 에너지를 받아 양극에서 환원돼 암모니아로 바뀌는 원리다. 전기화학시스템은 짝 반응이 일어나는데, 그 짝 반응으로 음극에서는 에틸렌글리콜이 글리콜산으로 산화된다. 에틸렌글리콜은 폐플라스틱에서 추출되는 원료다.
암모니아는 전세계에서 황산 다음으로 많이 생산되는 수요가 큰 무기화합물이지만 생산과정에서 나오는 이산화탄소가 전체 이산화탄소 배출량의 1.4%를 차지할 정도다. 100년째 이어지는 암모니아 생산공정인 하버·보슈법을 대체할 친환경 암모니아 생산기술 개발이 필요한 이유다.
연구팀은 폐수 속의 아질산염만을 선택적으로 환원시키는 촉매(RuCo-NT/CF)를 개발해 이같은 고효율 시스템을 만들었다. 폐수 속에서는 질산염(NO3-)과 아질산염이 섞여 있는데, 아질산염으로 암모니아를 만드는 것이 훨씬 빠르고 에너지가 적게 든다. 또 시스템의 짝 반응으로 에너지 소모가 많은 산소 발생 반응이 아닌 글리콜산 발생 반응을 택해 필요한 전기에너지를 더 줄였다.
연구팀은 기술의 상용화 가능성도 검증했다. 저준위 방사성 폐수를 모사한 전해질과 페트병 추출물을 이용한 전기화학시스템은 114μmol/cm2h 수준의 태양광 암모니아 생산 속도를 보였다.
조승호 교수는 "태양광과 폐기물로 그린 암모니아와 고 부가가치 글리콜산을 동시에 생산하였다는 점에서 지속 가능한 탄소중립형 에너지 솔루션을 제시한 연구"라고 밝혔다.
이 기술은 향후 다양한 전기화학적 촉매 시스템과의 융합을 통해 더욱 효율적인 친환경 암모니아 생산 공정에 적용될 것으로 기대된다. 또한 폐 유기물을 활용하여 고부가가치 화합물 생산이나 과산화수소 합성 등으로 확장될 수 있어, 차세대 친환경 사회 실현을 위한 핵심 기술로 활용될 전망이다.
이번 연구는 장원식, 김종경, 김혜승 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 기초연구실 지원 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구결과는 나노과학 분야의 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 2월 19일자에 게재됐다.
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