국내 연구진이 태양광 시스템을 활용해 폐수 속 오염물질을 고부가가치 에너지원인 암모니아로 바꾸는 기술을 개발했다. 생산과정에서 이산화탄소 배출이 없는 '그린 암모니아'를 만들고, 폐수 속 오염물질도 정화할 수 있는 일석이조 기술로 평가받고 있다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 서관용·장지욱 교수팀은 햇빛을 이용해 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
암모니아는 연간 1억5000만톤(t) 이상 소비되는 산업·농업 필수 화학물질이자, 수소 함량이 높아 차세대 수소 저장·운송체로 주목받고 있다. 하지만 현재 암모니아는 생산량의 90% 이상을 400℃ 이상의 고온·고압 조건이 필요한 공정에 의존하고 있어 막대한 온실가스가 배출된다.
이에 연구팀은 태양광으로 폐수 속 질산염을 암모니아로 만드는 광전기화학(PEC) 시스템을 개발했다. 질산염은 고농도일 경우 청색증, 위장암 등을 유발하는 오염물질인데, 이 시스템은 별도의 탄소배출 없이 질산염을 선택적으로 환원시켜 자원으로 바꾼다.
시스템은 실리콘 광전극과 니켈포일촉매로 구성돼 있다. 실리콘 광전극이 햇빛을 받아 전자를 만들면, 이 전자가 니켈 촉매를 통해 질산염 환원 반응을 유도하게 된다. 이 반응 메커니즘은 실험뿐 아니라 양자역학 기반 계산을 통해서도 입증됐다.
실험 결과, 이 시스템은 별도 외부 전원 없이도 단위면적·시간 당 554마이크로그램(μg cm⁻² h⁻¹)의 암모니아를 생산해냈고, 25평방센티미터(㎠) 규모의 대면적 장치에서도 동일한 성능이 유지돼, 실제 응용 가능성도 입증됐다.
서관용 교수는 "오염물질인 질산염을 차세대 에너지원인 암모니아로 바꾸면 수질 정화와 탄소중립을 동시에 달성할 수 있다"며 "향후 실리콘 기반 광전기화학 장치를 실제 야외에서도 암모니아를 생산할 수 있는 대면적 장치로 제작해 실증하는 연구를 계획 중"이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'(Advanced Materials)에 6월 22일자 온라인에 공개됐다.
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