“물과 햇빛으로 만드는 친환경 비료, 암모늄 생산 기술 개발”

- 장민 교수(환경공학과) 연구팀, 광촉매 질소 고정 반응 기반 저탄소 암모늄 합성 기술개발 -

- APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL AND ENERGY (IF: 22.1, JCR rank: 0.6 %) 환경-에너지 분야 1위 과학전문지 게재-

모교 환경공학과 석사과정생인 김연화(제1저자), 종초은 연구교수(교신저자)를 포함한 장민 교수(교신저자, 대한중점연구소 부소장, 환경나노기술연구소 (JENTL) 소장) 연구팀은 전자바이오물리학과 최은하 교수(PBRC 소장)과 이화여대 윤여민 교수와 함께 광촉매 질소 고정 반응 연구에서 TiO2에 대한 광촉매 암모니아 생성에 관한 연구를 진행한 결과, 공기와 햇빛만으로 암모늄 비료를 생산하는 친환경 광촉매 기술이 개발되어, 농업과 에너지 산업의 지속가능한 전환에 새로운 가능성을 제시하였다.

(좌측부터) 김연화(제1저자), 장민 교수(교신저자), 종초은 연구교수(교신저자)

질소 기반 화합물 중 하나인 암모늄(NH₄⁺)은 농업 및 산업 분야에서의 광범위한 활용에 더해, 최근에는 수소 저장 매체로서도 주목받고 있다. 이는 암모늄이 가지는 높은 수소 저장 밀도와 낮은 액상 증기압이라는 물리화학적 특성 덕분에, 탄소중립 기반의 차세대 에너지 전환 체계에 유망한 후보 물질로 간주되기 때문이다.

그러나 현재 상업적으로 이용되는 대부분의 암모늄은 하버-보시(Haber-Bosch) 공정에 의해 생산되고 있으며, 이 과정은 고온(300–500 °C) 및 고압(150–300 atm)이라는 극한 조건에서 진행되어 과도한 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 유발하는 구조적 한계를 내포한다.

이러한 문제의식 속에서, 최근 연구자들은 태양광을 활용한 광촉매 기반 암모늄 합성 기술에 집중하고 있다. 해당 기술은 질소 환원 반응(Nitrogen Reduction Reaction, NRR)을 통해 대기 중 질소(N₂)를 수계에서 환원시켜 암모늄으로 전환하는 방식으로, 기존 공정 대비 저탄소·저에너지의 지속가능한 합성 경로로 주목받고 있다.

그러나 N₂ 분자는 삼중 결합(N≡N, 결합 에너지 약 941 kJ/mol)에 의해 매우 높은 안정성을 가지며, 이로 인해 전통적인 NRR 기반의 환원 반응은 높은 활성화 에너지 장벽(약 2.79 V vs. RHE)을 극복해야 하는 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 직접 환원 경로를 우회하여, 산소(O₂)의 존재 하에서 N₂를 일산화질소(NOx)로 산화시킨 후, 이를 환원시켜 암모늄으로 전환하는 산화-환원 복합 경로(NORR–NRR coupling)를 새롭게 제안하였다.

광촉매로는 상용 TiO₂ (P25)를 사용하였으며, 질소:산소 비율을 80:20으로 조절한 혼합가스 조건에서 최대 242.39 mg/L의 NH₄⁺ 생산량을 기록하였다. 이는 산소가 없는 조건 대비 약 12.8배 향상된 수치로, 산소의 존재가 광여기 전자/정공의 이동과 반응성 산소종(ROS) 생성을 유도하여 NOx전구체 형성에 기여한 것으로 해석된다. 나아가 in-situ SERS 분석을 통해 TiO₂ 표면에서 산소 분자와의 격자 전하 상호작용 변화가 관찰되어, 반응 메커니즘 이해에 중요한 단서를 제공하였다.

본 기술의 실효성을 검증하기 위해 6리터 규모의 야외 파일럿 시스템에서도 실험을 수행하였고, 총 38시간의 운전 동안 107.71 mg/L/m²의 암모늄 생성 성능을 달성하였다. 더불어, 이 공정을 통해 생성된 광촉매 활성수(Photocatalysis-activated Water, PcAW)를 작물(토마토 및 청경채)에 적용한 결과, 기존 관개수 대비 우수한 생장 촉진 효과가 확인되었다.

광촉매 기반 암모니아 생산에서 산소가 TiO₂에 미치는 영향 메커니즘(NORR 및 NRR 경로, 상단), 본 연구에서 수행된 시스템 스케일업 구성도. 80% N₂/20% O₂ 조건에서의 암모늄 생성 제안 메커니즘

결론적으로 본 연구는 태양광 기반 저탄소 암모늄 생산 공정의 개념을 실험적으로 제시하였으며, 향후 친환경 비료 생산 및 지속가능한 농업뿐 아니라, 에너지 저장 및 변환 분야에도 기여할 수 있는 플랫폼 기술로서의 가능성을 시사한다.

본 연구는 한국연구재단의 지원지원사업 (2023-00240726, RS-2021-NR060112)으로 수행되었고, 연구결과는 환경-에너지 분야 1위 과학전문지인 Applied Catalysis B: Environmental and Energy (IF: 22.1) 2025년 10월 19일자 온라인 판에 “Unveiling the Overlooked Role of Oxygen in Nitrogen Oxidation Reaction for Enhanced Photocatalytic Ammonium Production over TiO2: Mechanism and Pilot-scale system studies”의 제목으로 게재되었다.

Web link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092633732500726X

광운대학교 환경공학과 장민 교수 연구실

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출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)