▲입체 장애 효과에 따른 원자 수준 전기화학 반응 제어 모식도(좌)와 입체 장애로 양성자 주개가 전극 표면에 다다르기 어려워 수소 발생 반응이 억제되는 모습(우). [수소신문] 정유성 서울대학교 공과대학 화학생물공학부 교수 연구팀이 전기화학적 암모니아 합성 과정에서 경쟁 반응인 수소 발생은 억제하고 질소 환원 반응은 유지하는 새로운 촉매 설계 원리를 제시했다. 이번 연구는 친환경 암모니아 생산의 가장 큰 난제로 꼽혀온 선택성 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시하며 향후 청정수소 경제와 전기화학 기반 탄소중립 기술 발전에 기여할 것이라는 기대다. 연구 결과는 국제 화학 분야 최고 권위 학술지인 Journal of the American Chemical Society(JACS)에 7월 22일 게재됐다. 암모니아는 수소 저장 밀도가 높고 상온에서 액체 상태를 유지해 저장과 운송이 용이한 차세대 에너지 운반체다. 현재 산업 현장에서 사용되는 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정은 고온·고압 환경에서 많은 에너지를 소비하고 이산화탄소를 배출한다. 릴게임모바일 이를 대체하기 위해 물과 질소, 전기만으로 암모니아를 생산하는 전기화학적 질소 환원 기술이 주목받고 있지만 실제 반응에서는 암모니아보다 수소가 먼저 생성되는 경쟁 반응 때문에 효율이 크게 떨어지는 한계가 있었다. 서울대 연구팀은 반응 환경을 구성하는 양성자 주개(Proton donor)의 입체 구조를 조절하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 입체 장애(Steric hindrance)를 이용해 수소 발생 반응의 첫 단계인 '볼머(Volmer) 반응'에 필요한 양성자의 전극 접근을 어렵게 만들어 수소 발생만 선택적으로 억제한 것이다. 반면 질소 환원 반응은 촉매 표면 바깥쪽에 흡착된 질소 분자에서 반응이 진행되기 때문에 입체 장애의 영향을 거의 받지 않아 암모니아 생성 반응은 그대로 유지된다. 즉 같은 양성자를 사용하면서도 공간적 구조 차이를 이용해 원하는 반응만 선택적으로 유도한 것이 핵심이다. 연구팀은 미세동역학 모델링을 통해 입체 장애가 커질수록 높은 패러데이 효율이 넓은 전압 범위에서 안정적으로 유지된다는 。도 확인했다. 모바일 바다이야기시즌7 이번 연구는 기존 전기적 질소 환원 반응의 패러데이 효율 한계를 극복하고 이론적으로 100%에 가까운 선택성을 구현할 수 있는 촉매 설계 원리를 제시했다는 .에서 의미가 크다. 이 기술이 상용화되면 대규모 화학공장 없이도 재생에너지 발전시설 인근에서 친환경 암모니아를 생산·저장·운송하는 분산형 생산 시스템 구축이 가능해질 것으로 기대된다. 또한 경쟁 반응 제어가 중요한 이산화탄소 전기환원(CO₂RR) 등 다양한 전기화학 촉매 시스템에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 전망된다. 정유성 서울대 교수는 "이번 연구는 전기적 질소 환원 반응에서 경쟁 반응만 선택적으로 억제할 수 있는 새로운 계면 설계 전략을 제시했다"라며 "친환경 암모니아 생산은 물론 다양한 전기화학 반응의 효율 향상에도 활용될 수 있는 기반 기술이 될 것"이라고 말했다. 이번 연구는 서울대 화학생물공학부 박동민 박사와 캐나다 University of Toronto 화학과 최창혁 박사가 공동 제1저자로 참여했으며 한국연구재단 선도연구센터지원사업과 디지털연구혁신선도기관육성사업, STEAM 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 '누리온'을 활용해 연구를 진행했다. 다. 서울대