수소 저장체이자 신재생 에너지원으로 각광받는 ‘암모니아’, 청정 생산법으로 완전무결한 ‘그린 암모니아’ 구현해
수소 저장체이자 신재생 에너지원으로 각광받는 ‘암모니아’, 청정 생산법으로 완전무결한 ‘그린 암모니아’ 구현해
  • 김윤혜 기자
  • 승인 2022.07.04 11:49
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한양대학교 화학공학과 장윤정 교수

그간 악취를 뿜는 유독성 화합물이라 인식되어온 암모니아를 자원화하기 위한 움직임이 이어진다. 비료, 식량자원, 화학약품, 제약품 등 산업적으로 이용되는 화합물을 생산하는 질소전구체로서의 활용도가 알려지면서다. 최근에는 암모니아를 수소 저장체, 혹은 그 자체로 저장 가능한 신재생 에너지원을 활용할 수 있다는 사실이 밝혀지며 암모니아의 가치에 대한 관심이 쏠린다. 한양대학교 화학공학과 장윤정 교수는 환경오염 문제를 해결하면서도 고부가가치를 창출하는 그린 암모니아 생산을 위한 연구를 수행하고 있다. 

한양대학교 화학공학과 장윤정 교수 / 사진 박성래 기자
한양대학교 화학공학과 장윤정 교수 / 사진 박성래 기자

전 세계에서 가장 많이 생산되는 화학제품 ‘암모니아’의 전기화학적 생산법 제시
암모니아는 전 세계적으로 가장 많이 생산되는 화학제품이자 100년이 넘는 시간 동안 비료 등으로 사용되어온 전통적 화학원료이다. 최근에는 암모니아를 액화시켜 장거리 수소운송체로 활용하는 방안이 주목받고 있다. 기존의 암모니아 액화, 운송 설비를 그대로 활용할 수 있고, 부피·질량대비 더 많은 수소를 저장, 운송할 수 있다는 이점이 부각되면서다. 수소를 암모니아로 바꾸면 수소를 액화하는 것보다 약 1.7배 많은 수소를 저장할 수 있다.
  암모니아 생산에는 하버-보쉬법을 적용한 공업적 방법이 활용된다. 그러나 암모니아 생산의 주요 공급원인 수소 생산 과정 및 하버-보쉬법의 고온 고압 반응 특성으로 인해 생산 과정에서 다량의 이산화탄소가 발생하고, 많은 에너지가 소모되었기에 생산법의 개선에 대한 요구가 끊임없이 제기되어 왔다. 암모니아 생산 중 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 약 1.8%를 차지한다. 장윤정 교수는 이러한 요구에 대응하기 위한 친환경적 암모니아 생산 방법을 연구하고 있다. 
  “태양광을 이용해서 수소를 생산하기 위한 연구와 더불어 이산화탄소를 활용해 고부가가치를 창출해내기 위한 연구를 주로 수행해왔습니다. 최근에는 수소 캐리어 역할을 하는 암모니아의 친환경적 생산법에 집중하고 있어요. 수소의 저장체이자 그 자체로 연료화할 수 있는 암모니아의 가치를 재조명하고자 합니다.”
  장 교수는 미국 위스콘신 대학 연구팀과 함께 전기화학적 방법으로 상온 상압 조건에서 수소가 아닌 물과 질소 기체를 이용하여 암모니아를 생산하기 위한 연구에 수년간 집중해왔다. 활용에너지원을 전기에너지에서 태양에너지로 확장하고, 질소 공급원을 질소 기체에서 질산염으로 확대 적용하는데 초점을 맞췄다. 또한 구조/형태 및 표면이 개질될 촉매를 개발하고, 이를 direct gas-feed 타입 질소 환원 전해 소자에 적용하여 전기화학적 암모니아 생산 효율을 극대화하는 것을 목표로 하는 ‘촉매의 표면 개질 및 삼상계면 제어를 통한 전기화학적 암모니아 생산 효율 향상’ 연구를 진행 중이다.
  “하버-보쉬법과 달리 전기화학적 시스템에서는 상온 상압 운용조건하에서 물을 수소 공급원으로 이용하여 암모니아를 생산합니다. 이를 통해 온실가스의 배출 및 투입 에너지를 대폭 감소시킬 수 있죠.”

한양대학교 장윤정 교수 연구팀 / 사진 박성래 기자
한양대학교 장윤정 교수 연구팀 / 사진 박성래 기자

‘그린 암모니아’, 오염물질 질산염 활용하며 환경성과 경제성 모두 충족해
전기화학적 암모니아 생산법은 환경적·경제적 이점을 자랑하나 아직까지는 초기 단계이기에 가능성 있는 촉매 소재 탐색에 치중되어 있다. 지금껏 개발된 촉매는 제한적인 패러데이 효율과 현저하게 낮은 암모니아 생산속도로 개선이 필요한 상황이다. 장윤정 교수는 고효율 전기화학적 질소 환원을 위한 촉매 개발과 실험 제반 기술 획득을 위한 연구를 이어가며 친환경적 암모니아 생산 원천기술을 확보해가고 있다.
  “현재의 기술 수준으로는 사업화나 산업과의 연계를 논하는 데에 어려움이 따릅니다. 다만 친환경적으로 암모니아를 생산할 수 있다는 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 있죠. 상용화되기까지는 많은 과정이 남아있지만 환경적인 문제를 해결하는 고부가가치 물질인 그린 암모니아는 탄소중립에도 중요한 역할을 수행할 것입니다.”
  장 교수가 이끄는 신재생 에너지전환 시스템 연구실이 개발한 폐수 속 질산염으로 암모니아를 생산하는 광촉매 기술은 태양에너지를 활용해 질산염을 그린 암모니아로 바꾼 최초의 연구이기에 더욱 뜻 깊다. 지상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양광을 직접 활용하는 이상적인 그린 기술에 대한 기대가 커진다. 해당 연구 성과는 화학계 최고 학술지로 손꼽히는 양게반테케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 게재되었다.
  정렬된 실리콘 나노와이어에 금 입자를 증착한 광전극은 태양에너지(빛에너지)를 흡수하여 전압을 형성할 수 있다. 장 교수는 이 전압을 이용해서 암모니아 생산을 위한 촉매 반응을 일으켰다고 설명했다. 전기에너지를 이용해 질소와 물의 촉매반응을 활용하던 그린 암모니아 생산법과는 달리 태양에너지를 이용해 환경적 유해물질인 질산염을 환원하여 그린 암모니아를 생산하는 촉매반응을 제공하는 것이다. 에너지 활용 및 환경/에너지 측면에서도 가장 이상적인 시스템을 구현했다는 평가다. 장 교수는 암모니아 생산에 투입되는 에너지를 절감한 것은 물론 경쟁반응에 본질적으로 저항성이 큰 금 입자를 통해 생산 효율을 높였다고 설명했다. 광전극은 아주 낮은 전압 하에서 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 생성시키는 성과를 보였다. 
   해당 연구 결과가 산업에 실제로 적용되기까지는 아직 개선해야 할 부분이 많지만 상용화가 이루어진다면 질산염에 의한 오염, 다량의 이산화탄소 배출 등 문제를 해결하는 것은 물론 암모니아를 연료로 활용함으로써 신재생 에너지 활용에도 기여할 수 있을 것이라 기대된다. 장 교수는 요소 기술을 지속적으로 발전시켜 현장에 적용 가능한 수준으로 확대시켜나갈 것이라 전했다.
  장 교수는 그간 전기에너지와 태양에너지를 활용하여 환경 및 에너지 이슈에 대응할 수 있는 촉매를 만드는 연구를 수행해왔다. 물로부터 청정 수소를 생산하는 연구와 이산화탄소를 효용 가능성이 높은 화합물로 전환하는 연구가 대표적이다. 또한 물에 녹아 있는 유독성 유기물 및 이온을 제거하거나 전환하는 연구도 진행 중이다. 그는 2020년 3월 한양대학교에 임용된 후 3년이 지났다며, 지난 2년간 기존에 연구해온 지식에 대한 제반기술을 닦았다면 이제는 실질적인 성과를 보일 수 있는 발전된 기술을 만들어가고자 한다고 전했다.

한양대학교 화학공학과 장윤정 교수 / 사진 박성래 기자
한양대학교 화학공학과 장윤정 교수 / 사진 박성래 기자

새로움 좇는 연구로 가능성 입증하며 분야 발전 이끌어와
“연구주제를 선택함에 있어 새로운 반응, 새로운 기술에 관심을 가지는 편입니다. 기존의 접근법과는 다른 방법을 택하기를 즐기다보니 선례가 없을 경우가 많아요. 연구에 확신을 갖는데 때론 어려움을 겪기도 하죠. 일련의 과정을 거쳐 결과에 도달했을 때 느끼는 성취감은 항상 새로운 시도를 이어가게 하는 원동력이 되어줍니다.”
  장윤정 교수는 하버-보쉬법을 활용한 암모니아 생산이 지배적이던 시기 전기화학적 암모니아 생산법을 구상하고, 지속적인 연구로 성과를 창출해왔다. 암모니아라는 연구 주제에도 의구심이 따라붙었지만 이제는 암모니아 연구의 필요성에 대한 공감대가 커졌다. 그의 연구를 필두로 이제는 많은 그룹이 전기화학적 생산법을 연구하고 있다. 광촉매를 활용한 암모니아 생산 또한 세계적으로 유례가 없던 새로운 접근이었다. 장 교수는 자신의 아이디어를 검증하며 실질적인 데이터를 얻는 과정이 쉽지는 않지만 자신의 도전을 계기로 또 다른 연구 성과들이 창출되는 것을 지켜보는 것은 연구자로서의 큰 보람이라 말했다.
  자신만의 관점을 담은 연구로 새로운 가능성을 열어온 장 교수이지만 그만큼 그가 갖는 부담감도 컸다. 다른 그룹들이 밝힌 결과와 경쟁하는 것이 아닌 스스로 창출해낸 성과를 지속 발전시켜가야 했기에 때론 어깨가 무겁다는 그다. 장 교수는 늘 새로움을 좇는 일이 한편으로는 부담이기도 하지만 이는 연구를 통해 얻는 크나큰 즐거움이라며, 향후 플라스틱 문제 등 인류가 직면한 환경적인 이슈들에 대안을 제시하기 위한 실마리를 찾아갈 것이라 말했다.
  “수소를 활용해 연료전지를 작동시켜 수소차를 만들었듯 이제는 암모니아를 산업적으로 활용하기 위한 논의가 이루어지고 있습니다. 연구소는 물론 기업에서도 관심을 갖고 있죠. 사용처에 대한 이슈가 부각되고 있는 만큼 더욱 친환경적이며 경제성 높은 암모니아에 대한 연구를 이어가고자 합니다.”

분야 간 경계 허물고 소통하며 ‘그린 기술’ 향해 나아간다
장윤정 교수가 한양대학교에 임용된 2020년은 코로나19의 심각성이 커지던 때였다. 2년간은 학생들을 마주하지 못한 채 비대면 방식으로 강의를 이어가야 했다. 그리고 학생들을 처음으로 마주하게 된 올해, 그가 느끼는 소회가 컸다. 장 교수는 학생들을 직접 대면하니 교수로서 학생들을 가르치고 있음을 실감하게 된 것은 물론 연구와 강의에 있어서도 피드백을 주고받으며 서로 소통하고 있음을 여실히 체감하고 있다고 말했다. 해외 학회들도 속속 개최되고 있는 만큼 연구도 활성화되는 한해가 될 것이라는 기대와 함께였다. 연구주제의 다양성과 복합성으로 인해 여러 분야와의 협력 및 공동연구를 펼쳐온 그는 소통의 중요성을 강조하기도 했다.
  “저 스스로와 학생들에게 늘 세 가지를 강조하고 있습니다. 본인의 연구에 대한 전문성을 확보할 것, 다양한 이슈 및 연구 주제에 열린 마음으로 대응할 것, 다제간 협력을 위해 많은 소통에 참여할 것입니다. 지속적인 미팅과 연구 교류를 통해 분야 간의 간극을 메꾸어 나갈 때 비로소 좋은 성과를 창출할 수 있다고 확신합니다.”
  장 교수는 연구의 필요성과 당위성은 늘 변화한다며, 이러한 문제에 대응하기 위해 연구를 수행하는 만큼 연구의 범위에 대한 경계는 풀어놓고 어떠한 문제라도 대응할 수 있는 자세가 필요하다고 말했다. 그 과정에서 필연적으로 수행하게 되는 공동 연구에 있어서도 자신만의 기술을 기반으로 주어진 역할을 수행해야 한다는 설명이다. 타 분야와의 협업을 이어가는 과정에서 주요 연구 주제나 사용하는 용어, 접근 방향, 이해도의 차이로 때론 소통에 어려움을 겪기도 하지만 지속적인 소통을 통해 하나의 합의점이 도출되었을 때 얻는 희열은 그가 말하는 연구의 즐거움 중 하나다.
  또한 장 교수는 제자들에게 자신만의 기술을 가지되 활용 능력을 키우라는 조언을 들려준다. 현재는 수소와 암모니아가 중요한 이슈로 부각되고 있으나 10년 후, 20년 후까지 이러한 관심이 이어질지는 알 수 없는 만큼 어떠한 상황에든 대응할 수 있는 역량을 키워야 한다는 설명이다. 실제로 다양한 분야와 이슈에 대한 접근을 유도하는 모습이다.
  분야 간 경계를 허물고 지속적으로 소통하며 새로운 주제를 발굴해온 장 교수의 연구는 청정한 미래를 향한 가능성으로 이어지고 있었다. 진정한 그린기술을 향한 그의 연구가 탄소중립이라는 유의미한 결과로 이어지길 기대한다.


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