일본산업뉴스요약

나노 공간에서 암모니아 합성
나고야공업대학 등, 상온 상압에서 반응

나고야공업대학의 마스다(増田) 교수와 아이치공업대학의 가지타(梶田) 교수 연구팀은 나노 크기의 공간을 사용해 암모니아를 효율적으로 합성하는 방법을 개발했다. 상온 상압 환경에서도 반응이 빠르게 진행된다. 고온 고압에서 반응시키는 장치를 사용하지 않고 물과 질소가스로 암모니아를 만들기 때문에 환경에 대한 부하가 작다. 암모니아 발생 장치를 소형화해 가정 등에서 사용할 수 있는 형태로 실용화를 목표하고 있다.

일반적으로 암모니아의 합성은 1900년대 초기에 개발된 ‘하버∙보쉬법’이라는 방법으로 생산되고 있다. 식물의 비료나 화약의 원료 등에 사용되고 있으며 세계의 연간 생산량은 1억 6천만 톤을 넘는다.

그러나 고온 고압의 환경에서 반응하기 어려운 질소가스와 수소를 촉매로 사용해 반응시키기 때문에 환경 부하가 상당히 크다. 때문에 환경 부하를 억제해 암모니아를 합성하는 방법의 연구가 활발해지고 있다.

연구 그룹이 개발한 방법은 ‘이온 액체’라는 특수한 액체를 사용한다. 양전하를 보유한 이온 액체의 분자 말단에 황원자를 붙였다. 이온 액체를 금전극에 붙이면 황이 금과 결합해, 전극 표면에 이온 액체 분자가 늘어선다. 분자와 분자는 상호 양전하를 갖고 있기 때문에 이온 액체 사이에 1나노미터(나노는 10억분의 1) 정도의 공간이 생긴다. 이 공간을 반응장(反応場)으로 이용한다.

촉매에는 철이나 코발트를 중심으로 한 물질을 이용한다. 물에 녹이면 이온 액체에 의해 생긴 반응장에 들어간다. 부극 측의 전극에 이온 액체를 붙여, 물에 담가 전기를 흐르게 하면 수소 이온이 전자에 끌려서 부의 전극 표면에 모인다.

질소가스는 수중에 투입하면 촉매에 결합한다. 촉매에 결합한 질소와 수소 이온이 반응함으로써 암모니아가 발생한다. 반응 속도는 반응장을 이용하지 않는 경우보다 약 300배 빨라진다고 한다.

전기를 사용하면 상온 상압에서 물과 질소가스로부터 암모니아를 간단하게 만들 수 있기 때문에 가정용 소형 장치로서의 이용을 전망하고 있다. 암모니아의 형태로 저장해 연소시켜 열 에너지로 할 수 있다. 또한 분해해서 수소로 변환해 연료전지차 등에서 이용할 수도 있다고 한다.

실용화를 위해서는 반응속도를 더 높일 필요가 있다고 한다. 촉매나 반응장의 설계를 연구해 반응이 더 효율적으로 진행되도록 한다. 마스다 교수는 “10년 후를 목표로 반응 속도를 1만배까지 올리고 싶다”라고 말한다.

이온 액체로 반응장을 만드는 방법은 다른 화합물의 반응에도 사용할 수 있다. 연구 그룹은 질소가 아니라 이산화탄소(CO₂)를 사용해 메탄을 발생시키는 장치도 개발하고 있다. 플랜트 등에 도입해 CO₂ 삭감에 활용하고 싶다고 한다.

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