화석 연료 없이 암모니아를 만드는 충격적인 새로운 방법

'그린 암모니아' 공정을 시작하는 데 사용된 플라즈마 컬럼. 출처: PJ 컬렌/ 플라스말레프

시드니 대학교 연구진은 인공 번개를 이용하여 세계에서 가장 중요한 화학물질 중 하나인 암모니아를 더욱 효율적으로 생성하는 방법을 개발했습니다. 암모니아는 전 세계 식량 생산량의 거의 절반을 차지하는 비료의 주요 성분이기도 합니다.

연구팀은 암모니아(NH 3 )를 기체 형태로 생산하는 더욱 간단한 방법을 성공적으로 개발했습니다. 다른 연구실에서는 이전에 용액 상태의 암모니아(암모늄, NH 4 + )를 생산했는데, 이는 최종 기체 생성물로 변환하는 데 더 많은 에너지와 공정이 필요합니다.

현재 암모니아를 생산하는 방법인 하버-보슈법은 막대한 기후 비용을 초래하여 막대한 탄소 발자국을 남깁니다. 또한 비용 효율성을 위해서는 대규모로, 그리고 저렴한 천연가스 공급원과 가까운 곳에서 이루어져야 합니다.

세계를 먹여 살린 화학 공정과 이를 혁신하고자 하는 시드니 팀

자연적으로 발생하는 암모니아(대부분 새 똥 형태)는 한때 수요가 너무 높아 전쟁을 촉발할 정도였습니다.

19세기 하버-보슈법의 발명은 인공 암모니아 생산을 가능하게 했고, 현대 농업과 산업에 혁명을 일으켰습니다. 현재 전 세계 암모니아 생산량의 90%가 하버-보슈법에 의존하고 있습니다.

"암모니아에 대한 업계의 수요는 계속해서 증가하고 있습니다. 지난 10년 동안 저희 연구실을 포함한 전 세계 과학계는 화석 연료에 의존하지 않고 암모니아를 생산하는 더욱 지속 가능한 방법을 찾고자 했습니다.

"현재 암모니아를 생산하려면 중앙 집중식 생산과 장거리 운송이 필요합니다. 저비용, 분산형, 확장 가능한 '친환경 암모니아'가 필요합니다."라고 시드니 대학교 화학생체분자공학과와 넷제로 연구소의 수석 연구원인 PJ 컬렌 교수가 말했습니다. 그의 팀은 6년 동안 '친환경 암모니아' 생산을 연구해 왔습니다.

"이 연구를 통해 저희는 전기를 이용하여 공기를 기체 형태의 암모니아로 전환하는 방법을 성공적으로 개발했습니다. 저희의 목표를 향한 큰 발걸음입니다."

해당 연구는 AngewandteChemie 국제판 에 게재되었습니다.

암모니아는 수소 분자 세 개를 포함하고 있어 효과적인 운반체이자 에너지원으로서 수소의 공급원으로 사용될 수 있으며, 잠재적으로는 수소 저장 및 운반 수단으로도 활용될 수 있습니다. 업계 관계자들은 암모니아를 '분해'하여 분자를 분리하고 수소를 활용할 수 있다는 것을 발견했습니다.

암모니아는 화학적 구성 덕분에 무탄소 연료로 사용할 수 있는 강력한 후보입니다. 이는 전 세계 온실가스 배출량의 약 3%를 차지하는 해운 업계의 관심을 끌고 있습니다.

화학적 수수께끼 풀기

컬렌 교수팀이 개발한 새로운 암모니아 생성 방법은 공기를 전기화하거나 여기시켜 플라즈마의 힘을 이용하는 방식입니다.

하지만 별은 막 기반 전해조로, 겉보기에 특징이 없는 은색 상자인데, 여기서 기체 암모니아로 변환이 일어납니다.

하버-보슈 공정에서는 촉매(화학 반응을 가속화하는 물질)의 존재 하에 고온, 고압 하에서 질소(N2)와 수소(H2) 가스를 결합 하여 암모니아 ( NH3 )를 만듭니다.

컬렌 교수팀이 개발한 플라즈마 기반 방법은 전기를 사용하여 공기 중의 질소와 산소 분자를 여기시킵니다. 그런 다음, 연구팀은 이 여기된 분자를 막 기반 전해조로 보내 암모니아로 전환합니다.

연구자들은 이것이 암모니아 생산을 위한 더 간단한 경로라고 말했습니다.

컬렌 교수는 이번 연구 결과가 친환경 암모니아 개발의 새로운 국면을 열었다고 말했습니다. 연구팀은 현재 이 방법을 하버-보쉬 공정보다 에너지 효율과 경쟁력을 높이기 위해 노력하고 있습니다.

"이 새로운 접근법은 플라즈마와 전기분해를 결합하는 두 단계 공정입니다. 저희는 이미 플라즈마 구성 요소를 에너지 효율과 확장성 측면에서 실현 가능하게 만들었습니다.

"지속 가능한 암모니아 생산을 위한 더욱 완벽한 솔루션을 만들려면 전해조 구성 요소의 에너지 효율을 높여야 합니다."라고 컬렌 교수는 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250704032934.htm