구르는 구슬엔 '이산화질소' 없다…고속 분해 기술 개발

16 hours ago 1

UNIST 연구팀, 실온(42℃)에서 아산화질소(N2O) 99.98% 분해

[아이뉴스24 정종오 기자] 이산화탄소보다 310배 더 강한 온실효과가 있는 아산화질소(N2O)를 실온 수준에서 거의 100% 분해할 수 있는 기술을 국내 연구팀이 개발했다.

엔진 배기가스, 화학 공정에서 발생하는 아산화질소를 에너지 효율적으로 처리해 온실가스 저감과 탄소중립 실현에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 빠르게 구르는 구슬의 기계적 충격과 마찰을 이용해 아산화질소를 분해하는 공정을 개발했다고 21일 발표했다.

볼밀 반응기에 질코니아 볼, 니켈 산화물 촉매, 아산화질소(N2O, 빨강+파랑) 가스를 넣고 함께 흔들어 주면 아산화질소 분자가 질소(N2, 파랑)와 산소(O2, 빨강) 분자로 분해된다. [사진=UNIST]

아산화질소는 주로 화학 공정, 엔진 배기가스에 섞여 나오는 기체다. 이산화탄소보다 310배 강한 온실효과(GWP)를 일으킨다. 오존층 파괴를 가속한다. 화학적으로 굉장히 탄탄해 기존 열촉매 공정으로는 445°C 이상의 고온을 가해야만 유의미한 분해가 가능하다. 이 과정에서 에너지 소모가 크다.

연구팀은 지름 수 밀리미터의 구슬을 넣은 반응 용기(볼밀)에 니켈산화물(NiO) 촉매와 아산화질소 가스를 함께 넣고 흔드는 방식을 사용해 아산화질소를 분해해 냈다.

구슬의 충돌과 마찰로 니켈산화물 촉매 표면에 고밀도 결함과 초산화(ultra-oxidized) 상태가 형성되는데 이 덕분에 기존 열촉매로는 불가능했던 저온·고속 분해가 가능하다.

실험 결과 이 공정은 42°C에서 100%에 가까운 99.98%의 전환율로 시간당 1761mL의 아산화질소를 분해했다. 이는 동일한 촉매를 사용한 열촉매 공정(445 °C, 49.16% 전환율, 294.9 mL h−1 속도)에 비해 6배 이상 높은 에너지 효율이다.

연구팀은 이 기술을 차량과 화학공장에서 쓸 수 있는지도 검증했다. 차량 디젤 엔진을 모사한 실험 장치에서는 아산화질소가 95~100% 제거됐다. 대규모 가스처리 성능을 검증하는 연속식 공정에서 약 97.6%의 전환율 확보했다. 실제 공정이나 차량 배기가스처럼 산소와 수분 함께 섞여 있어도 안정적인 분해 성능을 보였다.

경제성 분석에서도 기존 열촉매 공정보다 8배 이상 가격이 저렴한 것으로 나타났다.

백종범 교수는 “유럽이 2024년 도입한 Euro Ⅶ 배출가스 규제에 아산화질소를 신규 규제 대상으로 포함한 만큼 이를 처리할 수 있는 기술의 중요성이 더욱 커졌다”며 “이 기술은 디젤 엔진 배출가스나 질산·아디프산 생산 공정, 암모니아 선박 엔진 배기가스 등에서 발생하는 아산화질소를 효과적으로 처리할 수 있어 탄소중립 실현과 온실가스 저감에 이바지할 것”이라고 말했다.

연구 결과((논문명: Mechanochemical Nitrous Oxide Decomposition)는 재료·에너지 분야 국제 학술지 어드밴스드 머터리얼즈( Advanced Materials) 온라인판에 9월 26일자로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

포토뉴스