[대학생신재생에너지기자단] ​골칫덩이 폐수, 그린 암모니아로 재탄생한다고? 
[ 그린 암모니아가 필요한 이유와 현재의 암모니아 생성 방식 ]

현대 사회에서 탄소 문제 못지않게 중요한 문제는 바로 질소 순환 문제다. 특히 질산염(NO3-)은 하버-보슈법의 개발 이후 비료의 무분별한 사용으로 과량 축적되어 토양 및 수질 오염의 원인이 되고 있다. 또한, 질산염은 최근 심각한 문제가 되고 있는 미세먼지의 주요 원인으로도 알려졌다. 환경오염의 주범인 질산염을 암모니아로 바꿀 수 있는 기술이 있다면 환경 보호에 큰 도움이 될 것이다. 

출처: https://renewableenergyfollowers.org/3959 [대학생신재생에너지기자단:티스토리]

따라서 보다 친환경적인 암모니아 생산 공정에 대한 필요성이 높아졌고 질소 환원 암모니아 생성 반응(NRR), 리튬 중계 질소 환원 반응(Li-mediated Nitrogen Reduction Reaction) 등 다양한 암모니아 합성 연구가 전 세계적으로 시도되고 있다.

 
[ 폐수를 활용한 암모니아 생산 기술의 등장 ] 
NRR 공정 방식의 낮은 효율성을 해결하기 위해, 최근 한국과학기술원(KAIST)에서는 광촉매를 이용해 폐수 속 질산염을 환원시켜 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다. 기존 기술로 촉매를 이용해 암모니아를 생산하려면 2가지의 한계점을 가지고 있었다. 첫 번째, 기존의 전기 촉매는 고농도의 질산염 용액에서 작용한다는 점이다. 그러나 실제로 발생되는 섬유산업 폐수나 오염된 지하수 등에 포함된 질산염은 농도가 낮다. 이를 극복하기 위해 질산염 농축 과정을 거치거나 고성능의 전기 촉매를 사용하려면 효율성 대비 큰 비용을 들여야 하기 때문에 경제적인 한계가 존재했다. 두 번째, 암모니아의 수율을 높이기 위해서는 용액에 높은 작동 전압을 가해야 한다. 질산 환원은 여러 중간생성물(예: NO2 및 NO)과 느린 다중 전자 매개 반응 속도를 포함하는 복잡한 반응이기 때문이다.

​출처: ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY  

새로 개발한 광촉매는 이 중 첫 번째 한계점을 극복했다. 저농도의 질산염 폐수에서도 높은 수율의 암모니아를 생산해낸 것이다.
해당 광촉매는 구리와 PTCDA(Perylenetetracarboxylic dianhydride)라고 하는 유기 분자를 결합해 만들었는데, 
이는 암모니아의 높은 수율을 가능하게 한 중요한 이유이다. 이를 설명하기 위해 촉매에서의 흡착, 탈착에 대해 알아볼 필요가 있다.
촉매 반응에서 단순히 ‘질산염이 환원되어 암모니아가 생성되는 반응’만 일어난다면 암모니아의 수율로 인한 문제가 없을 것이다. 
하지만 여기에는 가장 큰 방해 요인이 존재한다. 암모니아가 아니라 수소가 생성되는 것이다. 
광촉매에 들어온 광전자의 에너지가 모두 암모니아 생성에 쓰이지 못하고 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution reaction, HER)에 쓰이게 되면서 효율이 떨어지는데, 
여기서 HER을 경쟁 반응이라고 하고, 바로 이러한 경쟁 반응을 억제해야 우리가 원하는 암모니아의 생산 효율을 높일 수 있게 된다.
촉매에서의 수소 발생은 앞서 말한 흡착과 탈착으로 이루어진다. 흡착이란 물질의 표면에 원자나 분자가 붙는 것을 말한다. 
즉 앞서 말한 광촉매의 구리 표면에 수소가 붙으면 이를 수소의 흡착 반응이라고 하고, Volmer reaction이라고 부른다. 
표면에 흡착된 수소 원자 2개가 만나면 수소 분자(H2)를 이루고 이는 구리 표면에서 떨어져 나가는데, 이를 탈착이라고 한다. 
탈착은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 이미 흡착된 수소 원자 근처 구리 표면에 또 다른 수소나 H2O가 붙어 수소 분자(H2)가 생성되는 경우, 
이 메커니즘을 Tafel 반응이라고 한다

KAIST 연구팀이 개발한 광촉매에서는 바로 Tafel 반응과 Heyrovsky 반응, 즉 수소가 구리 표면에서 탈착하는 것을 억제하여 수소 발생 반응(HER)을 막는 것이다.

 해당 논문에서는 약 0.2V에서 질산염의 환원 반응이 일어나면서 동시에 HER 반응은 발생하지 않았다고 밝혔다.
질산염을 환원시켜 암모니아로 생성하는 기술은, 태양광을 이용한 광촉매 기술이라는 점에서 온전한 ‘그린 암모니아 생성’ 기술이라고 말할 수 있다. 

또한 오염된 폐수를 정화하기 위해 질산염을 질소로 전환하는 기존 방식에서 벗어나 골칫거리였던 질산염으로부터

 곧바로 암모니아를 생성할 수 있기 때문에 폐수 재활용이 가능하다는 점에서 경제적이고 실용적이다.