제작된 페로브스카이트 광전극 시스템의 실제 모습. 연구그림 UNIST 제공태양에너지만으로 고효율 암모니아를 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 이 기술로 암모니아를 생산하는 속도는 세계 최고를 기록했다.
UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 장지욱, 장성연 교수팀은 스탠퍼드 대학교 토마스 F. 자라미요 교수와 공동으로 페로브스카이트 기반 친환경 암모니아 생산 광전극 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다.
이 시스템을 통해 미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도의 상용화 기준치 약 1.7배를 넘어섰는데 세계 최고 기록이다.
연구진은 태양에너지로 폐수의 주요 성분인 질산염(NO3-)을 물속에서 환원해 암모니아(NH3)를 생산하는 원리를 이용했다.
연구진이 개발한 이번 시스템은 물에 약한 페로브스카이트 단점을 극복했다.
공업 원료인 암모니아는 비료와 음식, 제약 같은 고부가 가치 화합물을 합성하는 데 쓰인다.
현재 암모니아 대부분은 '하버-보쉬 공정'으로 생산되는데 친환경적이지 않고 막대한 양의 화석연료를 소모해야 된다는 문제점이 있다.
연구팀은 고성능 암모니아 생산 촉매를 개발한 것.
페로브스카이트 태양전지를 보호하기 위해 높은 성능과 내구성을 갖춘 광전극 시스템과 루세늄을 티타늄 나노시트에 올렸다.
페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만들 수 있지만 물에 쉽게 분해된다.
연구팀은 페로브스카이트를 쉽게 액체가 되는 필즈금속으로 보호하는 동시에 고성능 암모니아 생산 촉매와 강하게 결합시켰다.
필즈금속은 녹는 온도가 63도로 낮아 쉽게 녹고 상온에서는 고체가 된다. 제작된 광전극은 페로브스카이트가 물과 직접 접촉하는 것을 막는다.
페로브스카이트와 암모니아 생산 촉매를 전기적으로 연결하고 고정하면 물속에서 빛을 받은 광전극은 전하를 생산하게 된다.
전하는 전극 표면에 노출된 암모니아 생산 촉매에 효율적으로 전달돼 안정적으로 높은 효율의 암모니아가 만들어진다.
사진 윗줄 왼쪽부터 제1저자 아마드 타예비 연구원, 장성연, 장지욱 교수. 사진 아랫줄 왼쪽부터 제1저자 김지은 · 라쉬미 메흐로트라 · 무히불라 알 무바록 연구원. UNIST 제공연구팀은 암모니아를 외부 전압없이 생산하기 위해 물보다 낮은 전압에 반응하는 글리세롤을 이용했다.
백금 촉매를 티타늄 나노시트에 올려 글리세롤의 산화 반응속도를 높였다.
광전극에서 생산되는 전압과 글리세롤 산화반응을 통해 암모니아 전환에 필요한 전압의 최소량을 맞췄다.
글리세롤이 첨가된 물에 광전극을 담그고 빛을 쬐면 자발적으로 암모니아를 생산할 수 있다는 게 연구진의 설명이다.
암모니아를 생산하면서 부산물로 글리세롤 보다 9배 이상 가치가 높은 글리세릭 엑시드도 만들었다.
게다가 질산염 환원 촉매를 다른 종류로 바꾸면 다양한 고부가가치 물질 생산에도 활용이 가능하다.
장지욱 교수는 "이번 연구를 통해 외부전압 없이도 고효율 암모니아를 생산할 수 있게 됐다. 무엇보다 다양한 친환경 연료를 생산하는데도 활용할 수 있다는 점에서 의미가 크다"고 했다.
이번 연구 성과는 촉매 연구에서 가장 탑 저널인 '네이처 캐탈리시스(Nature Catalysis)'에 4월 1일자로 공개됐다.