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화학공학/고분자공학부 김정규 교수 연구팀, 질소계 자원으로 친환경 수소 저장체 암모니아 생산 촉매 소재 개발 2024.10.08
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화학공학/고분자공학부 김정규 교수 연구팀, 

질소계 자원으로 친환경 수소 저장체 암모니아 생산 촉매 소재 개발

- 폐수 속 질산염을 이용한 고효율 암모니아 생산 촉매

- 수소 저장체로 주목받는 암모니아, 친환경 생산 기술 기대


▲ (왼쪽부터) 화학공학/고분자공학부 김정규 교수, 김준영 박사후연구원, 홍원태 석박사통합과정생


화학공학/고분자공학부 김정규 교수 연구팀이 질소계 자원인 질산염을 수소 저장체로 사용될 수 있는 암모니아로 전환하는 새로운 전기화학 촉매 소재를 개발했다고 밝혔다. 이 연구는 기존 암모니아 생산 방식의 문제점을 해결하기 위한 혁신적 기술로 평가받고 있다.


암모니아는 비료, 의약, 화학 산업 등에서 중요한 자원이며, 수소를 저장할 수 있는 무(無)탄소 에너지 저장체로도 주목받고 있다. 하지만 현재의 암모니아 생산은 전통적인 ‘하버-보슈 공정’을 통해 이루어지며, 이는 에너지 소비가 크고 온실가스를 많이 배출한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전기화학적 암모니아 생산 방법이 필요성이 제기되어 왔다.


특히, 폐수에 많이 포함된 질산염을 환원하여 암모니아를 만드는 전기화학 반응은 환경 문제 해결과 동시에 암모니아를 생산할 수 있는 방법으로 많은 주목을 받는다. 하지만 이 과정에서 경쟁 반응인 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER)이 촉매의 성능을 저해하는 것이 문제였다.

▲ 표면 집중 Bi 치환 도핑 Cu2O 촉매 전기화학 반응 모식도와 소재 물성


김정규 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 비스무트(Bi)를 사용한 새로운 도핑 기술을 개발했다. 이를 통해 제일산화구리 표면에 비스무트를 도핑하여 수소 생성 반응을 억제하고, 암모니아 생산 효율을 크게 높이는 촉매를 만들었다. 그 결과, 99.2%의 높은 질산염-암모니아 전환 효율을 달성했고, 촉매의 안정성도 확보했다.


김정규 교수는 “이번 연구는 폐수로부터 청정 연료인 e-Fuel을 생산할 수 있는 촉매 기술을 제시했으며, 이 기술은 수소 에너지 및 이산화탄소 환원을 통한 연료 생산에도 적용할 수 있는 가능성을 가지고 있다”고 설명했다.

▲ 전기화학적 질산염 환원을 암모니아 전환 메커니즘 모식도와 성능


이 연구결과는 산업통상자원부 에너지인력양성사업 ‘녹색성장을 위한 CCUS 전문인력양성’과 한국연구재단 개인기초 중견연구 사업의 지원으로 수행되었으며 소재 분야 최고 권위의 국제학술지 Materials Today에 7월 1일에 게재되었으며, 주저자인 박사후연구원 김준영 박사는 올해 9월 가톨릭대학교 바이오메디컬화학공학과 조교수로 임용되었다.


※ 논문명: Conformal surface intensive doping of low-valence Bi on Cu2O for highly efficient electrochemical nitrate reduction to ammonia production

※ 학술지: Materials Today

※ 저자명: 김정규(교신저자), 김준영(공동 교신저자), Thi Kim Cuong Phu(제1저자), 홍원태(공동 제1저자), 한현구, 송영인, 김종훈, 노승훈, 김민철, 고재현, 오병근, 정찬화, 이동현(공동저자)

※ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.05.007

※ 게재: 2024.7.

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