전기 분해 방식의 그린 암모니아 제조 공정

(A prototype of the Jupiter Ionics ammonia electrolysis device, which its creators claim can produce ammonia highly efficiently, at scale, at room temperatures. Credit: ACES Electromaterials)

(The phosphonium salt carrier molecules cycle back and forth between the anode and cathode, delivering hydrogen molecules to create ammonia. Credit: ACES Electromaterials)

암모니아는 요소 비료나 요소의 원료 물질로 연간 2억 3000만톤 가량 생산됩니다. 천연 가스에서 수소를 추출한 후 공기에서 추출한 질소와 결합시키는 방식으로 생산하는데, 이 공정을 하버 - 보쉬 (Haber-Bosch)법이라고 부릅니다. 하버 - 보쉬 공정은 오랜 세월 암모니아 생산의 가장 기본적인 방식이었습니다.

하지만 이 방법은 상당한 양의 화석 연료를 사용하고 온실가스를 대기 중으로 방출한다는 문제점이 있습니다. 1.1톤의 수소를 생산하는 과정에서 6톤의 이산화탄소가 생기고 질소와 반응시키기 위해서 반응 용기를 뜨겁게 해야 하기 때문에 또 천연가스가 태워집니다. 천연가스의 주 성분인 메탄 역시 주요 온실 가스 중 하나로 채취와 운송, 사용 과정에서 환경에 노출될 수 있습니다. 결과적으로 암모니아 생산은 인위적 온실가스 배출의 1.8%를 차지합니다.

과학자들은 암모니아를 친환경적인 방법으로 대량 생산할 수 있는 대안을 연구하고 있습니다. 그 중 하나가 전기 분해 방식입니다. 호주 모나쉬 대학의 과학자들은 포스포늄 염 (phosphonium salt. 인 원자에 네 개의 탄화수소기가 결합한 염)을 이용해 이 과제에 도전했습니다.

원리는 비교적 간단합니다. 구리 음극과 포스포늄 양극에 리튬과 질소가 포함된 전해질을 넣고 전기 분해를 시도하면 포스포늄 염이 수소를 질소에 결합시키는 역할을 하면서 암모니아를 만듭니다. (영상에서 1분 7초 이후) 여기서 중요한 사실은 이 과정이 상온에서 일어나 추가 에너지 투입이 필요 없고 전기 - 암모니아 변환 효율도 69%에 이른다는 것입니다.

(동영상)

기대를 뛰어넘는 좋은 결과였기 때문에 연구팀은 진짜 이 결과가 맞는지 여러 번 검증했다고 합니다. 이후 확신이 들자 연구팀은 이 결과를 저널 사이언스에 발표하고 실제 상업화를 위해 Jupiter Ionics technology라는 스핀 오프 기업을 설립했습니다. 이 회사는 최근 180만 달러의 자금을 끌어들여 이 기술의 상업화를 위한 초기 작업에 착수했습니다.

과연 실제 상업화에 성공해 하버 보쉬법을 대신할 수 있을지 미래가 궁금합니다.

참고

https://newatlas.com/energy/green-ammonia-phosphonium-production/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg2371

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