서울대 연구팀, '수소 방해' 막아 친환경 암모니아 생산 효율 극대화

uapple 기자

등록 2026-08-03 09:22

양성자 주개-받개 구조에 따른 경쟁 반응 선택적 제어 가능성 제시

전기적 질소 및 이산화탄소 환원 기술에 적용 기대

국제 저명 학술지 Journal of the American Chemical Society 논문 게재

입체 장애 효과에 따른 원자 수준 전기화학 반응 제어 모식도(왼쪽). 입체 장애로 양성자 주개가 전극 표면에 다다르기 어려워 수소 발생 반응은 억제된다. (오른쪽) 질소 환원 반응은 돌출된 질소 분자에 의해 입체 장애 효과가 제한적이다

서울대학교 공과대학 화학생물공학부 정유성 교수 연구팀이 차세대 친환경 에너지 운반체인 암모니아의 생산 효율을 대폭 끌어올릴 수 있는 촉매 설계 원리를 개발했다고 3일 밝혔다.

암모니아는 수소 저장 용량이 크고 상온에서 액체 상태를 유지해 운반이 용이하다. 이에 따라 풍력이나 태양광 등 재생에너지로 생산한 전력을 저장·수송하는 핵심 매개체로 각광받고 있다. 그러나 기존의 '하버-보슈' 합성법은 고온·고압 조건이 필요해 에너지 소모와 탄소 배출량이 크다는 단점이 있었다.

이를 대체하기 위해 물과 질소, 전기만으로 암모니아를 만드는 '전기화학적 질소 환원 반응'이 주목받아 왔으나, 반응 과정에서 암모니아보다 수소가 먼저 생성돼 생산 효율이 크게 떨어진다는 한계에 부딪혀 왔다.

정 교수 연구팀은 자연계 단백질의 반응 원리에서 아이디어를 얻어, 수소 발생 반응만 선택적으로 차단하는 새로운 접근법을 제시했다. 기존에는 전해질의 산도를 조절하는 방식으로 양성자(Proton)를 제어하려 했으나, 이 경

우 수소뿐만 아니라 암모니아 합성 반응까지 함께 억제되는 문제가 발생했다.

연구팀은 양성자 주개의 입체 구조를 제어해 수소 발생의 첫 단계인 '볼머 반응'의 에너지 장벽을 크게 높였다. 입체 장애가 커지면 양성자가 전극 표면에 접근하기 어려워져 수소 발생 반응속도가 느려지는 원리다. 반면 질소 환원 반응은 양성자가 촉매 표면 외부로 튀어나온 질소 분자를 향하므로 입체 장애의 영향을 거의 받지 않고 유지된다.

미세동역학 모델링 시뮬레이션 결과, 입체 장애가 클수록 높은 패러데이 효율이 넓은 전압 범위에서 안정적으로 유지되는 것으로 확인됐다. 이번 연구는 기존에 최대 70% 수준에 머물던 전기적 질소 환원 반응의 패러데이 효율을 100%에 가깝게 향상할 수 있는 발판을 마련했다는 평가를 받는다.

이번 기술이 상용화되면 대규모 화학 공장 없이도 재생에너지 발전소 인근에서 친환경 암모니아를 직접 생산해 공급하는 청정 수소 경제 생태계 구축이 가능해질 전망이다. 해당 원리는 이산화탄소 환원 반응 등 다른 전기화학 촉매 시스템에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

정유성 교수는 "기술적 한계가 명확했던 전기적 질소 환원 반응에서 경쟁 반응만을 콕 집어 억제할 수 있는 정교한 계면 설계 방식을 제안했다는 점에서 의의가 크다"며 "다양한 계면 전기화학 반응의 효율 개선에도 두루 응용할 수 있는 기반 기술이 될 것"이라고 설명했다.

서울대 박동민 박사와 캐나다 토론토대 최창혁 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)'에 7월 22일자로 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 디지털연구혁신선도기관육성사업, STEAM 연구사업 및 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨터 누리온의 지원을 받아 수행됐다.