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UNIST 아산화질소 99.98% 저온 분해 기술 개발…생산단가 기존대비 8배 저렴

지구 온난화의 주범인 이산화탄소의 온실효과보다 무려 310배나 더 치명적인 아산화질소(N2O)를 실온 수준에서 100% 가까이 분해할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. UNIST는 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 빠르게 구르는 구슬의 기계적 충격과 마찰을 이용해 아산화질소를 분해하는 공정을 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다. 아산화질소는 주로 화학 공정, 엔진 배기가스에 섞여나오는 기체다. 이산화탄소보다 310배나 많은 온실효과(GWP)를 유발하고, 오존층 파괴를 가속한다. 화학적으로 굉장히 안정해 기존 열촉매 공정으로는 445 °C 이상의 고온을 가해야만 유의미한 분해가 가능하다. 연구팀은 지름 수 밀리미터의 구슬을 넣은 반응 용기(볼밀)에 니켈산화물(NiO) 촉매와 아산화질소 가스를 함께 넣고 흔드는 방식을 사용해 아산화질소를 분해해 냈다. 구슬의 충돌과 마찰로 니켈산화물 촉매 표면에 고밀도 결함과 초산화(ultra-oxidized) 상태가 형성되는데, 이로인해 기존 열촉매로는 불가능했던 저온·고속 분해가 가능하다. 실험 결과, 이 공정은 42 °C에서 100%에 가까운 99.98%의 전환율로 시간당 1,761 mL 의 아산화질소를 분해했다. 이는 동일한 촉매를 사용한 열촉매 공정(445 °C, 49.16% 전환율, 294.9 mL, h−1승 속도)에 비해 6배 이상 높은 에너지 효율이다. 연구팀은 이 기술을 차량과 화학공장에서 쓸 수 있는지도 검증했다. 차량 디젤 엔진을 모사한 실험 장치에서는 아산화질소가 95~100% 제거됐다. 대규모 가스 처리 성능을 검증하는 연속식 공정에서 약 97.6%의 전환율 확보했다. 또 실제 공정이나 차량 배기가스처럼 산소와 수분 함께 섞여 있어도 안정적인 분해 성능을 나타냈다. 경제성 분석에서도 기존 열촉매 공정 대비 8배 이상 가격이 저렴한 것으로 나타났다. 백종범 교수는 “유럽이 지난 2024년 도입한 유로 Ⅶ 배출가스 규제에 아산화질소를 신규 규제 대상으로 포함한 만큼, 이를 처리할 수 있는 기술의 중요성이 더욱 커졌다”며 “이 기술은 디젤 엔진 배출가스나 질산·아디프산 생산 공정, 암모니아 선박 엔진 배기가스 등에서 발생하는 아산화질소를 효과적으로 처리할 수 있어, 탄소중립 실현과 온실가스 저감에 기여할 것”이라고 말했다. 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 어드밴스드 머터리얼즈( Advanced Materials) 온라인판에 9월 26일자로 공개됐다. 조만간 오프라인으로 출판될 예정이다.

2025.10.21 08:00박희범

켄텍, 수소생산용 차세대 전기촉매 개발…암모니아 생산 3~4배 늘려

수소 생산에 필수적인 질소 환원 반응용 전기촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 변환 효율을 획기적으로 개선해 관심을 모았다. KENTECH(한국에너지공과대학교, 박진호 총장직무대행)은 심욱 에너지공학부 교수 (㈜닐사이언스 대표) 연구팀이 질소환원반응(NRR)에 효과적인 차세대 전기 촉매(TNO@C)를 개발했다고 20일 밝혔다. 이 촉매는 티타늄 (Ti)과 네오비듐(Nb)으로 이루어진 산화물이다. Nb 양이온의 루이스 산성 자리(전자쌍을 받는 물질)와 산소를 결합한 Ti 양이온 조합을 통해 NRR 성능을 획기적(60~70%)으로 향상시켰다. 연구팀은 "표면 및 형상 공학을 통한 제어 전략과 NRR 활성 원소의 적절한 배합으로 페러데이 효율(환원반응비율)은 18.9%, 암모니아 생산은 서너 배 이상 늘릴 수 있음을 확인했다"고 설명했다. 최근 탄소배출이 0에 가까운 수소 운반체로 암모니아가 주목받고 있다. 암모니아는 질소환원반응을 통해 수소로 전환할 수 있다. 그러나 이는 수소 발생 반응에 비해 선택성과 효율이 낮은 단점이 있다. 연구팀은 이 문제를 전기화학적 암모니아 합성을 촉진하고 수소발생 반응을 억제하는 최적의 전기 촉매를 개발해 해결했다. 심욱 에너지공학부 교수는 "이 기술 개발은 암모니아 생산의 지속 가능성 측면에서 중요한 진전"이라며 "탄소 중립 수소 경제를 위한 새로운 길을 제시했다는 의미가 있다"고 밝혔다. 연구 지도는 심욱 교수(교신저자)가 맡았다. 주저자는 안태용 연구원(박사과정), S.수렌드란(Surendran)박사, 임재형 연구원(박사과정)이다. 연구 결과는 스프링거 출판사의 재료과학분야 학술지인 어드밴스트 컴포지츠 앤 하이브리드 머터리얼즈(피인용 지수 IF: 23.2 JCR: 1.4 %) 검증을 통과하고, 현재 게재 대기 중이다.

2024.09.19 18:00박희범

크라이오에이치앤아이, 중소형 액화질소 발생기 'CLN 시리즈' 출시

크라이오에이치앤아이(Cryo H&I)는 액화질소의 편리한 생산을 지원하는 액화질소 발생기(LN2 Generator)의 독자 개발을 완료하고, 첫 번째 제품으로 중소형 CLN 시리즈를 출시한다고 28일 밝혔다. 이 액화질소 발생기는 일반 대기 공기에서 고순도의 질소가스로 분리 정제하는 기술과 극저온 가스 액화 기술이 결합된 제품이다. 산업 및 연구 현장에서 필요에 따라 액화질소를 간편하고 안전하게 생산할 수 있다. 최근 초전도체와 양자 컴퓨터로 극저온에 대한 관심이 뜨거운 가운데, 바이오 및 일반 산업 분야에서 더 많은 수요가 예상된다. 액화질소(Liquid Nitrogen)를 생성하기 위해서는 영하 196도의 극저온 환경을 만들 수 있는 냉동기 기술이 필수적이다. 이 극저온 냉각기술은 소수의 해외 선진기업들만 보유할 정도로 기술 집적도가 높으며, 국내에서는 크라이오에이치앤아이가 유일하게 보유하고 있다. 크라이오에이치앤아이는 20년 이상 축적해 온 극저온 냉각기술을 활용해 국내 최초로 액화질소 발생기를 개발했으며, 본격적으로 시장에 제품을 제공한다. 액화질소는 병원, 제약, 바이오 산업에서 미생물, 제대혈, 세포, 백신 등을 실험하거나 보관할 목적으로 주로 사용된다. 식품가공, 재활용, 초전도 분야 등에서도 극저온 냉각을 위해 광범위하게 활용된다. 이러한 액화질소는 주로 대량 생산업체에서 압력용기 형태로 배달되어 수요처에서 사용된다. 반면 이번 중소형 액화질소 발생기 출시로 이제 언제 어디서든 버튼 하나만 누르면 액화질소를 직접 생산하고 현장에서 바로 사용할 수 있다. 액화질소를 구매하기 위해 매번 요청할 필요가 없으며, 입고 대기 및 현장 설치 등의 번거로운 과정이 없어 편리성, 효율성, 안전성을 보다 향상시킬 수 있다. 사업을 주도한 이동진 크라이오에이치앤아이 장비사업부장(전무)은 “이번 중소형 제품의 기술적 성과를 기반으로 크라이오에이치앤아이는 향후 중대형 액화질소 발생기를 비롯해 제품 포트폴리오를 더욱 확장해 나갈 예정"이라며 "또한 지속적인 연구개발을 통해 국내뿐만 아니라 글로벌 시장에서 인정받는 극저온 모듈 및 장치 기업으로 도약하고자 최선을 다할 계획”이라고 밝혔다.

2024.08.28 10:24장경윤