쇠구슬이 빠르게 돌아가는 용기에서 발생하는 기계적 에너지를 이용해 암모니아 생성 화학반응을 일으키는 새로운 방식의 암모니아 생산 공정이 100년 만에 개발됐다고 뉴스1이 2020년 12월 15일 보도했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 작은 쇠구슬들이 부딪히는 물리적인 힘으로 기계화학적 반응을 일으켜 암모니아(NH3)를 합성하는데 성공했다고 밝혔다.

기존 암모니아 생산 공정은 400도가 넘은 고온과 100~200기압 정도의 높은 압력이 필요했는데, 이 방식을 쓰면 45도의 온도, 상압에서 암모니아 합성이 가능하다.

백종범 교수팀이 개발한 기술은 용기에 쇠구슬과 철(Fe)가루를 넣고 회전시키면서 질소기체(N2)와 수소기체(H2)를 차례로 주입하는 방법이다. 빠르게 회전하는 쇠 구슬에 부딪혀 활성화된 철가루 표면에서 질소기체가 분해되고 여기에 수소가 달라붙어 최종 생성물인 암모니아가 만들어진다.

연구팀은 이 방식을 이용해 저온·저압 조건(45℃ 및 1 bar)에서 82.5%의 높은 수득률(yield)로 암모니아를 생산했다. 수득률은 반응물에서 생성물을 얻는 효율로 수득률이 높을수록 경제적이다.

기존 암모니아 생산 공정인 「하버-보슈법」(Haber-Bosch process) 대비, 200분의 1 수준의 압력과 10분의 1 수준의 온도에서 3배가량 높은 수득률을 얻었다. 「하버-보슈법」의 경우 200 bar, 450℃에서 약 25%의 수득률로 암모니아를 얻을 수 있다.

암모니아(NH3)는 비료, 폭발물, 플라스틱, 의약 등의 제조에 사용되는 세계 10대 화학물질 중 하나다. 전 세계에서 매년 약 1억4천만 톤의 암모니아가 생산된다. 최근에는 수소 연료의 저장체로서 가장 큰 주목을 받고 있어 그 수요가 더 늘어날 전망이다.

새로운 방식의 가장 큰 장점은 복잡하고 큰 설비 없이 필요한 위치에서 바로 암모니아를 생산 할 수 있다는 것이다. 암모니아 가스를 액화해 운송하거나 저장하는 데 발생하는 비용을 줄일 수 있기 때문이다. 촉매로 쓰이는 철가루도 가격이 매우 저렴하다.

또 기존의 「하버-보슈법」과 달리 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는다. 인류가 배출하는 전체 이산화탄소 중 약 3%가 「하버-보슈법」을 이용한 암모니아 생산 과정에서 발생한다고 알려져 있다.

백종범 교수는 “암모니아를 고온·고압 설비 없이 각종 산업 현장에서 즉석에 생산할 수 있어 저장·운송에 쓰이는 비용을 획기적으로 절감 할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 나노과학 분야 최고 학술지인 Nature Nanotechnology에 2020년 12월 14일자(현지 시각)로 공개됐다. ★