태양광으로 구동되는 '녹색' 암모니아

암모니아는 여러 농업 및 산업 공정에 필수적인 화학물질이지만, 생산 방식은 엄청나게 높은 에너지 비용을 수반합니다. 암모니아를 더욱 효율적으로 생산하기 위한 다양한 시도가 있어 왔고, 지금도 계속되고 있습니다. 도쿄대학교 연구진이 포함된 연구팀은 대기 질소, 물, 햇빛을 결합하고 두 가지 촉매를 사용하여 높은 에너지 비용 없이 상당한 양의 암모니아를 생산하는 데 처음으로 성공했습니다. 이들의 공정은 공생 박테리아를 이용하는 식물에서 발견되는 자연적 과정을 모방합니다.

암모니아에 대해 들어보셨을 겁니다. 특히 농업과 관련하여 암모니아는 우리 삶의 모든 기반이 되는 작물에 영양을 공급하는 비료의 필수 성분입니다. 하지만 암모니아가 왜 그토록 중요하고 영향력이 큰지 보여주는 몇 가지 수치가 있습니다. 매년 약 2억 톤의 암모니아가 생산되며, 이 중 80%가 비료로 사용됩니다. 또한, 암모니아 생산은 전 세계 에너지 소비량의 약 2%, 이산화탄소 배출량의 약 2%를 차지합니다. 이러한 점을 고려하면 전 세계 연구자들이 더 깨끗하고 효율적인 암모니아 생산 방법을 개발하려는 이유를 이해할 수 있습니다.

도쿄대학교 응용화학과의 요시아키 니시바야시 교수 연구팀은 최근 이 목표 달성에 상당한 진전을 이루었습니다. 대기 질소와 물을 포함하여 지구상에 풍부한 분자로부터 암모니아를 생산하는 새로운 촉매 시스템을 개발하는 데 성공했습니다. 핵심은 두 종류의 촉매를 조합하는 것입니다. 이 촉매는 최종 혼합물에는 기여하지 않으면서 반응을 촉진하거나 가속화하는 중간체 화합물로, 암모니아 생산을 위해 특별히 제작되었으며, 태양광에 의해 구동됩니다.

니시바야시는 "이것은 대기 중 이질소를 질소원으로, 물을 양성자원으로 사용하는 광촉매 암모니아 생산의 첫 번째 성공 사례이며, 가시광선 에너지와 두 종류의 분자 촉매를 사용합니다."라고 말했습니다. "우리는 이리듐 광촉매와 물 분자의 광화학적 활성화를 가능하게 하는 3차 포스핀이라는 또 다른 화학물질을 사용했습니다. 반응 효율은 가시광선 기반 광촉매 암모니아 생성에 대한 기존 보고와 비교했을 때 예상보다 높았습니다."

화학 반응의 문제는 항상 원하는 속도나 방식으로 일어나는 것은 아니라는 것입니다. 공정의 결과, 효율성, 타이밍 등을 제어하려면 원료 외에도 추가적인 구성 요소가 필요합니다.

바로 이 부분에서 촉매가 중요한 역할을 합니다. 니시바야시와 그의 팀은 이 실험에 두 가지 촉매를 사용했습니다. 하나는 이질소(dinitrogen)의 활성화를 위한 전이 금속 몰리브덴 기반 촉매이고, 다른 하나는 3차 포스핀과 물의 광활성화를 위한 전이 금속 이리듐 기반 촉매였습니다. 3차 포스핀이라는 세 번째 구성 요소 또한 물 분자에서 양성자를 제거하는 데 중요한 역할을 합니다.

"이리듐 광촉매가 햇빛을 흡수하면 들뜬 상태가 되어 3차 포스핀을 산화시킬 수 있습니다. 산화된 3차 포스핀은 포스핀의 인 원자와 물 사이에 화학 결합을 형성하여 물 분자를 활성화시켜 양성자를 생성합니다."라고 니시바야시는 말했습니다. "몰리브덴 촉매는 질소가 이 양성자와 결합하여 암모니아를 형성하도록 합니다. 물을 이용하여 이수소 또는 수소 원자를 생성하는 것은 친환경 암모니아 생산을 위한 가장 중요한 공정 중 하나입니다."

연구팀은 이전 실험의 10배 규모로 이 반응을 생성하는 데 성공하여 더 큰 규모의 시험에 적용될 준비가 되었음을 시사하지만, 안전성과 효능을 더욱 향상시킬 수 있는 몇 가지 문제점들이 여전히 남아 있습니다. 3차 포스핀과 같은 일부 성분은 태양열을 이용하여 생산하거나 포스핀 산화물에서 재활용할 수 있습니다. 3차 포스핀 자체는 안정적이지만, 사람이 섭취할 경우 독성을 가질 수 있으므로, 책임감 있는 폐기 또는 재활용 방법을 찾는 것이 이상적입니다.

니시바야시는 "식물에서 암모니아는 시아노박테리아를 이용한 생물학적 질소 고정을 통해 생성되며 광합성과 연관되어 있습니다."라고 말했습니다. "여기서 반응에 필요한 전자는 광합성을 통해 공급되고, 양성자는 물에서 얻습니다. 따라서 저희의 최근 연구 결과는 암모니아 인공 광합성의 성공적인 사례로 볼 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250522125155.htm