서울대, 암모니아 합성 방해하는 부반응 억제하는 촉매 설계원리 내놔

친환경 에너지를 저장하고 옮기는 데 쓰이는 암모니아를 전기로 만들 때, 정작 필요 없는 수소만 잔뜩 생기며 효율이 떨어지는 문제를 해결할 촉매 설계원리를 국내 연구진이 내놓았다.

서울대학교 공과대학 화학생물공학부 정유성 교수 연구팀은 전기화학적 질소환원반응(질소와 수소이온을 반응시켜 암모니아를 만드는 과정)에서, 함께 일어나 효율을 떨어뜨리는 수소발생반응(전기에너지가 암모니아 대신 수소를 만드는 데 쓰이는 원치 않는 부반응)은 억제하면서 암모니아 생성반응은 그대로 유지하는 촉매 설계원리를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 서울대 박동민 박사와 토론토대학교 최창혁 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

분자 크기 차이를 이용해 반응을 가른다

연구팀은 수소이온을 전극 표면으로 전달하는 양성자 주개(proton donor)의 입체 구조를 제어하는 방법을 썼다. 부피가 큰 양성자 주개가 전극 표면에 다다르지 못하도록 입체 장애를 걸면 수소발생반응의 첫 단계인 볼머반응의 에너지 장벽이 높아져 반응이 억제된다. 반면 암모니아를 만드는 질소환원반응은 질소 분자가 촉매 표면으로 돌출된 구조로 반응이 일어나기 때문에 같은 입체 장애의 영향을 상대적으로 덜 받는다. 이런 원리를 이용해 전기에너지가 목표 반응(암모니아 생성)에 쓰이는 비율인 패러데이 효율을 기존 최대 70% 수준에서 100%에 가깝게 끌어올릴 수 있는 설계 원리를 제시했다. 촉매를 이루는 화학 성분 자체를 바꾸지 않고도, 반응물 분자의 크기와 배치를 조절하는 것만으로 원하는 반응의 비중을 높일 수 있다는 점을 보여준 결과다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지(JACS)'에 지난달 22일 게재됐다. 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업과 디지털연구혁신선도기관육성사업, STEAM연구사업의 지원을 받았으며, 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온의 계산자원도 활용됐다.

자료: 서울대학교