질소를 암모니아로 전환시키는 촉매 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-12

노스웨스턴대(Northwestern University)의 연구자들이 처음으로 자연계에서만 발견되어 뛰어난 기능을 수행하는 한 촉매를 개발할 수 있었다. 이들은 공기 중에서 질소를 잡아내어 이를 자연적인 조건 하에서 어떤 열이나 압력도 필요없이 암모니아로 전환이 가능하다. 빛에 의해 유도되는 이 새로운 방법은 환경친화적인 배양기를 만들 가능성을 높여주었다. 암모니아는 이 경우 배양기의 중요한 구성요소가 된다. 이에 대해 이번 연구를 수행한 무기화학자인 Mercouri G. Kanatzidis는 “이것은 질소를 일반적인 조건에서 암모니아로 전환시키는 큰 거래의 반응이다. 연구자들은 자연에서 60년 동안 이 반응을 촉매하는 효소인 질소분해효소(nitrogenase)에 많은 관심을 보여왔다. 이제, 우리는 이 자연의 과정을 성공적으로 모방할 수 있게 되었다”고 말했다. Kanatzidis는 바인베르크 자연과학대(Weinberg College of Arts and Sciences)의 교수이다. 식물들은 일반적으로 영양과 성장을 위해 질소고정(nitrogen fixation)을 이용한다. 질소는 공기 중에서 직접 식물로 전달될 수 없기 때문에 이 영양분들은 반드시 암모니아와 같이 환원된 형태로 존재해야만 한다. 노스웨스턴대의 연구진이 개발한 이 방법은 이 중요한 반응을 촉매하기 위해 빛을 이용했다. 충분한 양의 태양에너지를 이용해 질소를 암모니아로 전환하는 공정은 하버-보쉬법(Haber-Bosch)의 훌륭한 대안이 될 수 있다. 하버-보쉬법은 전세계에너지의 1% 이상을 소비한다. 이와 관련된 상세한 연구 결과는 Journal of the American Chemical Society지에 게재되었다. 아직 개념 증명 단계에 불과하나 이와 같은 개념은 상당히 인상적이다. 질소는 매우 없애기 힘들다. 이들은 다른 분자들과 반응하지 않으며 질소의 3개의 공유결합은 깨기가 매우 힘들다. 이 문제를 해결하기 위해 Kanatzidis와 동료 연구자들은 그들이 이전에 발견한 흥미로운 물질인 칼코겔(chalcogel)을 이용했다. 이 물질은 스펀지와 비슷한 기공성 물질이며 많은 표면적을 지니고 있다는 장점이 있다. 연구자들은 철, 몰리브데늄, 황 등의 클러스터를 이용해 칼코겔을 만들었으며 이들은 질소를 줄이는 질소분해효소의 핵심 금속이다. 이에 대해 Kanatzidis는 “넓은 표면적을 지닌 이 재료는 많은 반응 위치를 제공할 수 있으며 이를 통해 질소들이 반응할 수 있다”고 말했다. 칼코겔 물질이 지니고 있는 또 다른 장점은 이들의 색이다. 이들은 검은색을 띄고 있어서 많은 빛을 흡수할 수 있다. 연구자들은 이들이 그 에너지를 이용할 수 있을 것이라고 믿고 있다. 이와 관련해 Kanatzidis는 “내 동료와 나는 이것이 미친 실험이라고 생각했다. 빛으로 칼코겔을 여기시킨 후 질소를 주면 이 물질이 질소를 줄여 암모니아를 만들 것이라고 생각했다. 실험 결과, 놀랍게도 암모니아가 생성되었으며 시간에 따라 보다 많은 암모니아가 생성되었다”고 말했다. 초기의 긍정적인 실험 후, 연구자들은 생성된 암모니아가 정말 질소로부터 왔는지를 테스트하는 실험을 수행했다. 칼코겔 재료는 안정적이다. 이에 대해 Kanatzidis는 “이 촉매는 시간이 지나도 계속해서 작업을 수행한다. 생물학적 시스템에 있어서 질소분해효소는 6~8시간 내에 재조립되어야 한다”고 말했다. 그러나 연구진은 자신들의 촉매가 질소분해효소에 비해 1000배 가량 느리다고 말했다. 이와 관련해 Kanatzidis는 “하지만 질소분해효소는 20~30억년 동안 진화해온 것이다. 우리는 이 물질이 질소분해효소와 마찬가지로 질소를 줄일 수 있다는 사실을 발견하고 매우 기뻤다. 이것은 환상적인 출발점이다. 이제, 우리는 이 물질이 어떻게 작동하고 어떻게 보다 빨리 작동할 수 있는지를 연구해야 한다. 우리는 이미 이와 관련한 결과들을 얻고 있다”고 말했다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 ["Photochemical Nitrogen Conversion to Ammonia in Ambient Conditions with FeMoS-Chalcogels."]라는 제목의 논문을 참고하기 바란다. http://phys.org/news/2015-02-catalyst-nitrogen-ammonia.html