KAIST 연구진이 암모니아 합성 촉매를 개발해 기존 성능을 7배 향상시켰다. 이번 연구는 저온·저압 조건에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능해져 친환경 수소 경제에 기여할 것으로 기대된다.
암모니아는 비료, 의약품 등 다양한 산업에서 필수적인 화합물로 사용되며, 최근에는 수소 경제의 핵심 운반체로 주목받고 있다. 그러나 기존의 하버-보슈 공정은 고온·고압 조건에서 막대한 에너지를 소비하고 이산화탄소를 다량 배출하는 문제가 있었다.
KAIST 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀은 루테늄(Ru)과 산화바륨(BaO)을 전도성 탄소 지지체에 결합한 새로운 촉매 시스템을 개발했다. 이 촉매는 300도, 10기압의 온건한 조건에서도 기존 최고 성능 촉매 대비 7배 이상 높은 암모니아 합성 능력을 보여줬다.
연구팀은 루테늄 촉매 표면에서 수소 분자가 분해되며 생성된 수소 원자가 양성자(H⁺)와 전자(e⁻)로 나뉘는 현상에 주목했다. 이 과정에서 양성자는 산화바륨에 저장되고 전자는 루테늄과 탄소에 축적돼 질소 분자의 활성화를 촉진한다. 특히 탄소 지지체의 나노구조를 조절해 일함수를 낮춘 질소 도입 탄소나노튜브(N-doped MWCNT)를 사용함으로써 촉매 성능을 극대화했다.
최민기 교수는 “이번 연구는 촉매 내부의 전자 이동을 조절해 활성을 높일 수 있음을 보여준 사례로 학계에서 주목받고 있다”며 “저온·저압에서도 효율적인 암모니아 합성이 가능해지며, 기존 대규모 공장 중심 생산에서 벗어나 분산형 소규모 생산이 가능해질 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 백예준 박사과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 촉매 화학 분야 권위지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 게재됐다.