그린 암모니아 합성 '고성능 촉매' 개발…"수소경제 발전 기여"

“효율적인 촉매는 ‘그린 암모니아’를 기반으로 한 청정 연료 및 수소 저장 기술 발전에 기여하고 식량·에너지·환경 문제를 동시에 해결하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.”

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 11월 수상자로 선정된 최민기 한국과학기술원(KAIST) 생명공학과 교수가 5일 자신이 개발한 ‘친환경 암모니아 합성을 위한 고성능 촉매’를 소개하며 소감을 전했다. 최 교수는 “친환경적이고 에너지 효율적인 촉매와 흡착 기반 화학 공정을 개발하고 싶다”며 포부도 덧붙였다.

과기정통부와 연구재단은 과학 지식이 인류 복지에 기여하는 것을 목표로 하는 ‘평화와 발전을 위한 세계과학의 날(11월 10일)’을 맞아 친환경적 암모니아 합성을 위한 고성능 촉매를 개발해 탄소 중립과 수소 경제 전환을 위한 핵심 기반을 마련한 최 교수를 수상자로 선정했다.

암모니아(NH3)는 비료와 의약품 등 필수 산업 원료일 뿐 아니라 액화가 쉽고 수소 저장 밀도가 높아서 재생에너지 기반 수소를 장기간 저장하거나 장거리 운송할 수 있는 차세대 에너지 매개체로도 주목받는다. 하지만 100여 년 전 개발돼 현재도 사용되는 하버-보슈 공정은 500도 이상, 100기압 이상의 고온·고압 조건을 유지하기 위해 막대한 에너지를 소모하고 상당한 양의 이산화탄소가 배출되는 한계가 있다. 최 교수는 이러한 한계를 개선하기 위해 루테늄(Ru) 기반 암모니아 합성 촉매의 성능을 극대화할 수 있는 새로운 설계 이론을 세계 최초로 제시했다. 특히 반응 과정에서 수소 원자(H)가 전자(e-)와 수소 이온(H+)으로 분리돼 촉매의 다른 부분에 각각 ‘화학적 축전기’처럼 각각 저장될 수 있다는 사실을 밝혀내 질소 분자의 반응 효율을 향상 시켰다. 해당 촉매 소재는 기존 최고 수준의 촉매 대비 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 보인다. 저온(300도), 저압(10기압)의 온건한 조건에서도 실질적 활용이 가능하다. 최 교수는 “촉매 반응 과정에서 전하의 분리와 이동을 정교하게 조절할 수 있다는 새로운 틀을 제시한 점에서 학술적 의미가 크다”며 “암모니아 합성 반응의 근본적 이해를 한 단계 확장시켰고 향후 촉매 설계 전반에 적용될 수 있는 보편적 원리를 제공해 파급력이 크다”고 설명했다. 또한 그는 “사회경제적 측면에서도 기존보다 훨씬 효율적인 촉매를 통해 암모니아 생산에 필요한 에너지를 절감함으로써 온실가스 감축과 같은 환경적 이점은 물론 ‘그린 암모니아’를 기반으로 한 청정 연료 및 수소 저장 기술의 발전에도 기여할 수 있다”며 “이는 결국 식량·에너지·환경 문제를 동시에 해결하는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 기대했다.

최 교수의 연구는 100년간 지속된 공정을 뛰어넘어 친환경 암모니아 합성의 게임 체인저 역할을 할 것으로 기대된다. 촉매는 나노미터 단위에서 여러 구성 물질이 복잡하게 섞인 물질이다. 겉으로는 같은 성분처럼 보여도 배치와 미세 구조에 따라 활성이 수십 배까지 달라질 수 있다. 하지만 구조를 정밀하게 조절하거나 원자 수준에서 분석하는 것은 매우 어려워 많은 촉매 연구가 대체로 반복 실험을 통한 성능 개선에 집중해왔다. 최 교수는 “원자 단위에서 촉매의 본질을 이해하지 못하면 진정한 혁신이나 ‘게임 체인저’가 될 수 없다”며 “학위 과정에서 기초과학인 화학을 공부하며 현상을 깊이 있게 분석하고 이를 이론적으로 풀어내는 훈련을 받았고 독립 연구자가 된 후에는 화학공학을 접목해 실용적 촉매 개발의 다리를 놓고자 노력했기 때문에 기초과학적 이해와 공학적 응용을 아우르면서 새로운 이론적 틀을 제시하고 실제 고성능 촉매 설계로 연결할 수 있었다”고 말했다. 최 교수는 “그린 암모니아 합성은 신재생에너지로 얻은 수소를 안전하게 저장하고 다시 연료로 활용하는 데 핵심적인 공정으로 현재 전 세계 많은 기업들이 주목한다”며 “앞으로 촉매 설계는 얼마나 경제적으로 합성할 수 있는지, 또 대량생산 가능한지 여부가 중요한 과제가 될 것”이라고 말했다. 또한 “암모니아를 분해해 수소를 얻는 기술도 빠르게 부각되고 있는데 이번에 밝혀낸 촉매 원리를 동일하게 적용할 수 있다”며 “이번 연구에서 이해한 촉매의 근본 작동 원리를 다양한 화학 반응으로 확장하려고 노력할 예정”이라고 말했다.