질소산화물 저감, 섬유 생산 원재료 확보, 그린수소 저장의 1석 3조 활용 가능
지스트(광주과학기술원)는 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 KAIST 김형준 교수, 숙명여자대학교 김우열 교수 연구팀과 함께 미세먼지의 주요 원인인 일산화질소(NO)를 고부가가치 화합물인 하이드록실아민으로 전환하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
하이드록실아민은 NH2OH의 화학 구조를 가지는 물질로 나일론의 원료인 카프로락탐(caprolactam) 생산의 주원료이다. 상온에서 액체로 존재하며 암모니아 높은 반응성으로 인해 그린수소 사회의 효과적인 수소저장 물질로 여겨지고 있다.
연구팀은 원자 수준으로 안정화된 철 이온 촉매의 활용 및 계산‧분광학 기초연구를 토대로 설계된 기술을 접목해 실제 반응공정에서 매우 선택적으로 친환경 물질인 하이드록실아민을 생산하는 데 성공했다.
지구 대기의 78% 정도를 차지하는 매우 풍부한 원소인 질소는 육상, 해양, 대기를 순환하며 인류를 포함한 생태계의 생존에 매우 중요한 역할을 한다.
그러나 축산업, 농업, 운송업, 산업 및 에너지 부문에 대한 수요 증가는 막대한 양의 질소산화물을 유입시켰으며 이로 인한 지구 내 질소 순환계의 심각한 불균형은 산성비, 토양 산성화, 수질 오염 등의 환경오염뿐만 아니라 최근 심각한 사회문제로 대두되고 있는 미세먼지의 근본적인 원인으로 지목되고 있다.
연구팀은 전기화학적 기술을 활용하여 환경오염물질인 질소화합물을 감축시킴과 동시에 섬유 및 화학산업에서 널리 사용되는 고부가가치 화합물인 하이드록실아민을 생산하고자 했다.
이를 위해 일산화질소가 질소산화물 전환과정에서 생성물 종류를 결정하는 핵심 중간물질이라는 사실에 주목했으며 반응의 경로를 제어하기 위해 철 단원자 촉매를 도입했다.
연구팀은 다양한 분광학 기초실험을 통해 산화된 단원자 철 이온이 일산화질소의 환원을 촉진함을 확인했다. 더 나아가 전해질의 산성도 조절을 통해 하이드록실아민의 생산량 제어에 성공했다.
계산화학적 접근 및 적외선 분광분석을 활용해 반응 메커니즘 분석을 수행한 결과, 단원자 철 이온에 흡착된 일산화질소 주변 전기장의 세기에 따라 반응 경로가 변화한다는 사실을 밝혔다.
연구팀은 이러한 연구결과를 바탕으로 추가적인 외부의 에너지 공급 없이 일산화질소로부터 안정적인 하이드록실아민 생산에 성공했으며 본 기술의 실용적 활용 가능성을 확인했다.
최창혁 지스트 신소재공학부 교수는 “이번 연구 성과는 미세먼지의 중요원인인 질소산화물의 저감과 동시에 섬유 생산의 원재료 확보뿐 아니라 그린수소 저장 등 1석 3조 이상의 활용이 가능하다”며 “향후 배기가스 등 환경오염물질을 우리의 삶에 유용한 물질로 전환하는 친환경 시스템 확립이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 한국연구재단 미래소재디스커버리 및 신진중견연계 사업 과제의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)에 2021년 3월 25일자로 온라인 게재됐다.
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| ▲ 왼쪽부터 Stefan Ringe 교수(DGIST), 김형준 교수(KAIST), 최창혁 교수(GIST), 김우열 교수(숙명여대), 김동현 박사과정생(GIST) (사진= 광주과학기술원 제공) |
지스트(광주과학기술원)는 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 KAIST 김형준 교수, 숙명여자대학교 김우열 교수 연구팀과 함께 미세먼지의 주요 원인인 일산화질소(NO)를 고부가가치 화합물인 하이드록실아민으로 전환하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
하이드록실아민은 NH2OH의 화학 구조를 가지는 물질로 나일론의 원료인 카프로락탐(caprolactam) 생산의 주원료이다. 상온에서 액체로 존재하며 암모니아 높은 반응성으로 인해 그린수소 사회의 효과적인 수소저장 물질로 여겨지고 있다.
연구팀은 원자 수준으로 안정화된 철 이온 촉매의 활용 및 계산‧분광학 기초연구를 토대로 설계된 기술을 접목해 실제 반응공정에서 매우 선택적으로 친환경 물질인 하이드록실아민을 생산하는 데 성공했다.
지구 대기의 78% 정도를 차지하는 매우 풍부한 원소인 질소는 육상, 해양, 대기를 순환하며 인류를 포함한 생태계의 생존에 매우 중요한 역할을 한다.
그러나 축산업, 농업, 운송업, 산업 및 에너지 부문에 대한 수요 증가는 막대한 양의 질소산화물을 유입시켰으며 이로 인한 지구 내 질소 순환계의 심각한 불균형은 산성비, 토양 산성화, 수질 오염 등의 환경오염뿐만 아니라 최근 심각한 사회문제로 대두되고 있는 미세먼지의 근본적인 원인으로 지목되고 있다.
연구팀은 전기화학적 기술을 활용하여 환경오염물질인 질소화합물을 감축시킴과 동시에 섬유 및 화학산업에서 널리 사용되는 고부가가치 화합물인 하이드록실아민을 생산하고자 했다.
이를 위해 일산화질소가 질소산화물 전환과정에서 생성물 종류를 결정하는 핵심 중간물질이라는 사실에 주목했으며 반응의 경로를 제어하기 위해 철 단원자 촉매를 도입했다.
연구팀은 다양한 분광학 기초실험을 통해 산화된 단원자 철 이온이 일산화질소의 환원을 촉진함을 확인했다. 더 나아가 전해질의 산성도 조절을 통해 하이드록실아민의 생산량 제어에 성공했다.
계산화학적 접근 및 적외선 분광분석을 활용해 반응 메커니즘 분석을 수행한 결과, 단원자 철 이온에 흡착된 일산화질소 주변 전기장의 세기에 따라 반응 경로가 변화한다는 사실을 밝혔다.
연구팀은 이러한 연구결과를 바탕으로 추가적인 외부의 에너지 공급 없이 일산화질소로부터 안정적인 하이드록실아민 생산에 성공했으며 본 기술의 실용적 활용 가능성을 확인했다.
최창혁 지스트 신소재공학부 교수는 “이번 연구 성과는 미세먼지의 중요원인인 질소산화물의 저감과 동시에 섬유 생산의 원재료 확보뿐 아니라 그린수소 저장 등 1석 3조 이상의 활용이 가능하다”며 “향후 배기가스 등 환경오염물질을 우리의 삶에 유용한 물질로 전환하는 친환경 시스템 확립이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 한국연구재단 미래소재디스커버리 및 신진중견연계 사업 과제의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)에 2021년 3월 25일자로 온라인 게재됐다.
메디컬투데이 이재혁 ([email protected])
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