태양에너지만으로 고효율 암모니아를 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지욱, 장성연 교수팀은 미국 스탠퍼드대학교 토마스 F. 자라밀로 교수와 공동으로 페로브스카이트 기반 친환경 암모니아 생산 광전극 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다.
이 기술을 활용하면 암모니아 생산속도는 미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산속도의 상용화 기준치를 약 1.7배 웃도는 것으로 나타났다. 이는 세계 최고 기록이다.
광전극 시스템은 태양에너지로 폐수의 주요 성분인 질산염(NO3-)을 물속에서 환원해 암모니아(NH3)를 생산하는 원리다. 물에 약한 페로브스카이트의 단점도 극복했다.
공업원료인 암모니아는 비료, 음식, 제약 등 고부가가치 화합물을 합성하는 데 쓰인다. 현재 암모니아 생산과정에서는 막대한 양의 화석연료를 소모해야 된다는 문제가 있다.
이에 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 보호해 높은 성능과 내구성을 갖춘 광전극 시스템과 루세늄을 티타늄 나노시트에 올린 고성능 암모니아 생산 촉매를 개발했다.
페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만들 수 있지만 물에 쉽게 분해된다는 단점이 있다. 이 단점을 해결하기 위해 연구팀은 페로브스카이트가 쉽게 액체가 될 수 없도록 필즈금속으로 보호하는 동시에 고성능 암모니아 생산 촉매와 강하게 결합시켰다. 필즈금속은 녹는 온도가 63℃로 낮고 상온에서 고체가 되기 때문에 이러한 설계가 가능하다.
연구진이 개발한 광전극은 페로브스카이트가 물과 직접 접촉하는 것을 막는다. 페로브스카이트와 암모니아 생산 촉매를 전기적으로 연결하고 고정한다. 물속에서 빛을 받은 광전극은 전하를 생산한다. 전하는 전극 표면에 노출된 암모니아 생산 촉매에 효율적으로 전달돼 안정적으로 높은 효율의 암모니아가 만들어진다.
이 광전극의 암모니아 생산속도는 최대 1745μgNH3 cm-2h-1를 기록했다. 이는 미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도 상용화 기준인 1000μgNH3 cm-2h-1 훨씬 넘어섰다.
장지욱 교수는 "폐수의 주성분인 질산염과 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을, 암모니아와 고부가 가치의 글리세릭 엑시드를 생산했다"며 "개발된 기술은 외부전압 없이 고효율 암모니아를 생산할 수 있으며, 다양한 친환경 연료를 생산하는데도 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.
장성연 교수는 "고효율 태양광 연료 생산에 응용한 매우 중요한 연구"라며 "태양광 연료의 상용화가 되는 태양광 연료 생산 속도 기준을 초과 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다"고 말했다.
이번 연구결과는 '네이처 캐탈리시스(Nature Catalysis)'에 게재됐다.
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