최명룡 교수팀, 고엔트로피 합금 촉매로 질산염 자원화·전력 생산 기술 구현

▸아연–질산염 배터리 기반 암모니아 생산 시스템 개발

▸환경 유해 물질 질산염을 에너지 자원으로 활용할 가능성 제시

▸환경·에너지 촉매 분야 세계적 저널 《어플라이드 카탈리시스 B》에 논문 게재

경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 자연과학대학 화학과 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장) 연구팀은 질산염(Nitrite, NO2⁻)을 선택적으로 암모니아(NH3)로 환원하는 동시에 전기를 생산할 수 있는 고엔트로피 합금 촉매 시스템을 개발했다고 7월 21일 밝혔다.

이 연구 결과는 환경·에너지 촉매 분야의 세계적 저널 《어플라이드 카탈리시스 B(Applied Catalysis B: Environment and Energy)》(IF:21.1)에 게재됐다. 

연구팀은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 구리(Cu)를 조합한 5원소 프러시안 블루 유사체(PBA)를 전구체로 합성한 뒤 이를 열처리하여 고엔트로피 산화물(HEO)로 만든 후, 여기에 펄스 레이저를 조사해 고엔트로피 합금(HEA) 나노입자를 형성하는 공정을 개발했다.

이렇게 제작된 HEA 촉매는 질산염을 암모니아로 환원하는 전기화학 반응(NO2RR)에 적용되어 높은 선택성과 전환 효율을 보였으며 Zn–NO2⁻ 배터리 시스템에서도 작동 가능성을 확인해 암모니아 생산과 전기 생성이 동시에 가능한 에너지 전환 기술로 주목받고 있다.

연구의 핵심은 금속 조성 변화에 따라 반응 경로가 전환되는 ‘엔트로피 스위칭’ 개념이다. 특정 금속 조합에서는 질산염 환원 중간체의 반응 경로가 바뀌며 암모니아 생산 선택성이 크게 향상되었고 이를 통해 촉매의 성능을 조성 설계만으로 정밀하게 제어할 수 있는 고엔트로피 기반 전략을 제시했다.

연구진은 “이번 연구는 귀금속 없이도 다양한 금속 간 상호작용을 정밀하게 조절해 전환 반응을 유도한 사례”라며 “질산염이라는 환경 유해 물질을 에너지 자원으로 활용할 수 있는 전기화학 시스템의 실현 가능성을 보여준 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF) 및 교육부가 주관하는 기초과학 연구역량 강화사업 ‘광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터’, ‘인프라 고도화: 실시간 극저온 엑스선 흡수 분광기 구축을 통한 우주극한환경 대응 광화학 소재 개발’, ‘거점: 영남권 실시간 극저온 XAS 기반 우주 극한소재 연구 네트워크 활성화’ 사업의 지원을 바탕으로 수행됐다.

ㅇ 사진 설명: 경상국립대학교 띠따기리 자야라만 박사, 박주현 박사, 최명룡 교수(왼쪽부터)

ㅇ 내용 문의: 경상국립대학교 화학과 최명룡 교수 055-772-1492