일본산업뉴스요약

암모니아, 질소와 물에서 합성
도쿄대학, 상온∙상압에서의 새로운 방법 개발

도쿄대학의 니시바야시(西林) 교수팀은 상온∙상압의 조건에서 암모니아를 합성하는 새로운 방법을 개발했다. 촉매를 이용한 화학 반응으로 전자를 제공하는 환원제를 변경해 석유 유래의 수소가 아닌 물을 질소 등과 혼합하는 것만으로 합성할 수 있도록 했다. 합성에 사용하는 원료의 비율이 90% 이상이 된다고 한다. 시약이 불필요해 낮은 가격으로 합성할 수 있을 가능성이 있다. 니시바야시 교수 팀은 닛산(日産)화학과 협력해 실용화를 목표로 하고 있다.

식물 비료의 질소원과 화학 등에서 널리 사용되고 있는 암모니아의 전세계 생산량은 1억 6천만톤이 넘는다. 현재는 1900년대 초기에 개발된 ‘하버-보슈(Haber-Bosch)법’이 이용되고 있다. 이 방법은 질소와 산소를 고온∙고압의 조건에서 촉매와 반응시킨다. 이 때 고온∙고압으로 하기 위해 막대한 에너지가 필요하다. 전세계 에너지 소비량의 수%를 암모니아 생산이 차지한다고 말할 정도이다.

니시바야시 교수팀은 상온∙상압의 조건에서 촉매를 이용해 암모니아를 합성하는 방법에 대한 연구를 추진하고 있다. 지금까지는 합성에 필요한 수소와 전자를 제공하는 환원제에 고가의 약품을 사용해왔다.

이번 연구에서는 환원제에 유기화학의 실험에서 자주 사용되고 있는 ‘요오드화 사마리움(Samarium Iodide)’이라는 물질을 채택했다. 또한 수소를 물을 통해 공급해 낮은 가격으로 합성할 수 있도록 했다. 몰리브데넘(Molybdenum) 촉매를 통해 이러한 재료들을 혼합하는 것만으로 암모니아를 합성할 수 있다.

실제로 새로운 방법을 통해 암모니아를 합성해본 결과, 연구팀의 기존 방법보다 100배나 효율이 높았다. 촉매를 개선한다면 200배까지 효율이 높아질 것이라고 한다. 하버-보슈법은 고체 촉매에 가스를 투사하기 때문에 가스에서 암모니아가 만들어지는 확률은 낮다. 이번 새로운 방법은 재료들을 혼합해 암모니아를 만들기 때문에 합성에 사용하는 원료 비율이 높다고 한다.

연구팀은 촉매의 개선을 통해 더욱 효율을 높일 수 있다고 보고 있다. 요오드화 사마리움은 한번밖에는 이용할 수 없어 앞으로는 재이용할 수 있는 방법을 개발할 계획이다. 닛산화학과 협력해 대형 플랜트에서의 응용을 목표로 하고 있다.

환경 부담이 적은 암모니아 합성법 연구는 최근 활발하다. 도쿄공업대학의 호소노(細野) 교수 팀은 ‘일렉트라이드(Electride) 촉매’라고 하는 새로운 촉매를 이용해 하버-보슈법보다도 저온∙저압으로 합성하는 방법을 개발했다. 아지노모토(味の素) 등과 협력해 2021년의 실용화를 목표로 하고 있다.

니시바야시 교수팀은 암모니아 합성뿐만 아니라 암모니아를 이용하는 연구도 추진하고 있다. 암모니아를 분해해 추출한 수소를 연료전지차에 이용하는 연구와 암모니아를 연소시켜 에너지를 만들어내는 연구를 하고 있다. 니시바야시 교수는 “암모니아를 에너지원으로 하는 암모니아 사회를 실현하고 싶다”라고 말한다.

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