[POSTECH · KIAST, 친환경 국소 고농도 전해질 기반 그린 암모니아 생산 기술 개발]

화학공학과 용기중 교수, 통합과정 윤혜주 · 임채은 씨 연구팀은 KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 서동화 교수 연구팀, POSTECH 윤용주 교수 연구팀과의 연구를 통해 특정 부분에서 고농도처럼 작용하는 특별한 전해질을 기반으로 그린 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다. 이 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

암모니아는 비료와 화학 공정에 필수적인 물질이다. 최근에는 수소 에너지를 저장 및 운송하는 매개체로서 탄소 배출을 줄일 고부가가치 물질로도 주목받고 있다. 하지만 암모니아를 생산하는 기존의 ‘하버-보쉬(Haber-Bosch)’ 공정은 400~500℃의 고온과 200bar의 고압환경이 필요하고, 그로 인해서 세계 에너지 소비의 약 2%를 차지하며, 매년 6억 톤에 달하는 이산화탄소를 배출해 환경에 큰 부담을 주고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 리튬 기반 질소 환원 반응(이하 Li-NRR)^*1을 활용한 전기화학적 암모니아 생산 연구가 활발하지만 리튬의 소모량이 많고, 효율이 낮은 한계를 안고 있다. 이를 극복하려면 반응이 일어나는 ‘고체 전해질 계면(이하 SEI^*2)’의 성질을 개선해 반응물의 선택성과 안정성을 높여야 한다.

이에 POSTECH·KAIST 연구팀은 SEI 성질을 개선하기 위해 전해질의 ‘용매화 구조’에 주목했다. ‘용매화 구조’란 용매의 분자가 용질(이온 또는 분자)을 둘러싸는 배열이나 구조를 뜻한다. 연구팀은 Li-NRR 반응 용매로 사용되는 테트라하이드로퓨란(THF)에 테트라플루오로에틸 테트라플루오로프로필 에테르(TTE)를 혼합해 저농도에서도 고농도와 유사한 용매화 구조를 만드는 국소 고농도 전해질(LHCE^*3)를 개발했다. 전해질의 전체 농도는 낮지만 이처럼 첨가제를 더해 일부 구역에서는 고농도 전해질처럼 작용하도록 설계한 것이다.

이 전해질은 기존의 저농도 전해질보다 질소 용해도가 높고, 물질 전달 속도가 빨라 암모니아 생산에 필요한 전기 에너지의 효율을 나타내는 패러데이 효율^*4이 2배 이상 향상됐다. 또, 리튬 염이 많은 고농도 전해질과 비교했을 때도 에너지 소비와 비용을 줄이면서 경제성과 생산성에서 뛰어난 결과를 보였다.

특히, 연구팀이 개발한 전해질을 사용하면 SEI 무기 성분 비율이 증가해 SEI의 안정성과 반응 효율이 향상됐으며, 연구팀은 이를 통해 12시간 동안 안정적으로 암모니아를 생산하는데 성공했다.

연구를 이끈 용기중 교수는 ”높은 반응 효율과 안정성 등 고농도 전해질의 장점을 유지하면서 리튬 염 사용량을 줄여 비용을 절감했다는 점에서 큰 의미가 있다“라며 연구의 의의를 전했다. 또한, KAIST 서동화 교수는 “배터리 연구에서 사용되는 국소 고농도 전해질을 암모니아 생산에 적용하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 특정 물질이 용매화에 참여하지 않는 현상을 확인할 수 있었다”라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 해외우수 연구기관 협력 허브 구축 사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202408280

1. 리튬 기반 질소 환원 반응(Li-NRR)
물질에서 주성분인 순물질이 차지하는 비율이 높은 마이크로미터(μm) 이하 두께의 얇은 막.

2. 고체 전해질 계면(Solid electrolyte interphase)
전극 고체 표면 막으로서 Li-NRR 반응에서 전해질 요소의 반응물로 이루어져 있다.

3. 국소 고농도 전해질(LHCE)
Localized High-Concentration Electrolyte

3. 패러데이 효율(Faradaic efficiency)
전기화학 반응시 가해준 일정 전하량 대비 실제 생성물의 생성 효율을 말한다.