“수소 대신 물 활용” 새 분리막기술…에너지硏, 친환경 암모니아 합성 성공

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 수소 대신 물을 활용하는 전기화학적 암모니아 합성에 성공했다.

한국에너지기술연구원은 청정연료연구실 김재형 박사 연구팀이 팔라듐 막이 물에서 수소 이온만 골라 옮길 수 있음을 밝혀내고, 이를 친환경 암모니아 합성 공정에 적용해 성능을 입증했다고 15일 밝혔다.

분리막은 전기화학 장치 안에서 반응물, 생성물, 용매 등이 섞이지 않도록 나누고, 반응에 필요한 이온은 통과시키는 역할을 한다. 기존에는 주로 이온 교환막 등 고분자로 만든 분리막을 사용했다.

고분자 분리막 안에는 물이 흐르는 작은 통로가 있고, 이온은 이 통로를 따라 이동한다. 문제는 이온이 지나갈 때 물 등 불필요한 분자도 함께 넘어가는 ‘크로스오버’ 현상이 일어나 전기화학 장치의 성능과 안정성이 떨어진다는 점이다. 기존 분리막은 크로스오버를 줄이면 이온의 이동 속도까지 함께 느려져 두 가지를 동시에 잡을 수 없다는 한계가 있었다.

연구진은 고분자 분리막 대신 수소 원자를 흡수하는 성질을 지닌 팔라듐 막을 활용해 크로스오버 문제를 해결했다. 빈틈이 거의 없는 팔라듐 막이 수소만 흡수해 막 반대편으로 이동시키고 나머지는 움직일 수 없도록 막는 원리다.

전기장이 걸리면 수소 이온은 팔라듐 막의 한쪽 표면에서 수소 원자로 바뀌어 금속 안으로 들어간다. 이후 팔라듐 내부를 이동해 반대편에 도착하고, 다시 수소 이온으로 바뀌어 용액으로 빠져나온다. 이 과정에서 막을 사이에 둔 양쪽의 용매와 반응물, 생성물은 팔라듐 막에 막혀 계속 분리된 상태로 유지된다.

연구진은 개발한 팔라듐 막을 서울대학교 황윤정 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 전기화학적 암모니아 합성 공정에 적용했다. 전기화학적 암모니아 합성은 합성 원료인 수소 이온을 화석 연료 대신 물에서 뽑아내고, 합성에 필요한 전력도 재생에너지로 충당해 탄소 배출을 줄이는 친환경 기술이다.

실험 결과 암모나이 합성 패러데이 효율은 51%를 얻었고 유기 용매 전해질에 녹아있는 리튬 염의 음이온 종이 암모니아 합성 효율에 큰 영향을 미치는 것을 확인했다.

또 기존 이온 교환막을 사용했을 때 문제가 됐던 물의 크로스오버 문제가 팔라듐 막 이용 시 발생하지 않아 12시간 동안 안정적으로 50% 수준의 패러데이 효율을 유지했다.

김재형 박사는 “이번 성과는 수소 이온 전달 성능과 물질 차단 성능을 동시에 높이기 어려웠던 고분자 분리막의 한계를 극복할 수 있다”며 “암모니아 합성 외에도 엄격한 물질 분리가 요구되는 다양한 전기화학 장치에 적용할 수 있어 기술의 확장성을 넓히는 데 기여할 것.”이라고 밝혔다.

국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지인 ‘어드밴스드 사이언스’ 6월호에 게재됐다.