그린 수소와 그린 암모니아 생산 공정 모식도(인하대 함형철 교수 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자역학 계산 기법을 활용, 촉매 활성 변화의 원인을 밝혀냄과 동시에 신촉매 물질을 개발하는데 성공했다.

17일 한국연구재단에 따르면 인하대 함형철 교수 등 공동연구팀이 양자역학 시뮬레이션을 통해 전기화학적 암모니아 합성을 위한 고성능 ‘헤테로더블원자’ 촉매 소재를 개발했다.헤테로더블원자(Hetero double atom)는 이종 2개의 단일금속원자로 구성된 촉매를 말한다.

공동연구팀의 이같은 이론적 발견은 기존의 하버-보슈(Haber-Bosch) 화학 공정을 대체해 탄소 배출 없이 상온·상압에서의 암모니아 합성을 가능하게 한다.

전기화학적 질소 환원을 통한 암모니아의 상온·상압 합성 공정은 촉매의 높은 과전압과 낮은 선택도 때문에 개발이 매우 어려웠다.

이에 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자역학 계산을 통해 촉매 활성을 극대화할 수 있는 원자 수준의 촉매, 특히 서로 다른 2개의 원자가 쌍으로 존재하는 헤테로더블원자를 설계했다.

즉, 실험적으로 분석이 힘든 헤테로더블원자 촉매 작용의 정량적인 이해를 통해 암모니아 합성 촉매 활성에 미치는 원리를 규명했다.나아가 촉매의 성능을 예측할 수 있는 간단한 디스크립터 (descriptor)를 발견해 촉매 탐색의 가이드라인을 제시한 것이다.

실제, 가이드라인에 따라 금속 원자들의 조성 조합을 통해 촉매 후보 물질을 빠르게 탐색했다.

그 결과 루세늄(Ru) 단원자 촉매에 비해 36% 향상된 활성을 보이며 암모니아 합성 효율이 증가된 루세늄-철(Ru-Fe), 루세늄-오스뮴(Ru-Os) 촉매를 도출했다.

함형철 교수는 “양자역학 계산이 미지의 암모니아 합성 반응에 대한 원리 규명과 헤테로더블원자 촉매 개발 시간 단축에 중요한 역할을 한 것”이라며 “후속 연구를 통해 상용화가 가능한 수준까지 촉매의 성능을 끌어올릴 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 A’ 에 최근 게재됐다.


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