2017-02-12
유타 대학(University of Utah)의 연구진은 자연에서 유래된 효소를 활용해서 암모니아를 상온에서 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 반응은 작은 전류를 생성한다. 암모니아는 중요한 비료로서 전 세계적으로 많이 생산되고 있다. 이 방법은 자발적인 프로세스이고, 에너지가 필요한 것이 아니라 전기를 발생시킨다.
거의 1세기 전에 독일 화학자인 프리츠 하버(Fritz Haber)는 수소와 질소 가스로부터 암모니아를 생성하는 과정을 발견해서 노벨 화학상을 수상했다. 암모니아는 농업 혁명을 가져왔지만, 이것을 제조하는 화학 반응은 고압과 고온이 필요하기 때문에 전 세계 에너지의 약 1%를 소비한다.
하버-보슈법(Haber-Bosch process)은 기본적인 화학 원리를 사용한다. 암모니아를 만들기 위해서, 1개의 질소 원자와 3개의 수소 원자가 필요하고, 2개의 질소 원자들 간의 강한 결합을 끊어야 하고, 질소를 환원시켜야 한다. 하버-보슈법의 경우에, 250 기압과 최대 500℃까지 가열해야 한다. 이 프로세스로 매년 거의 5억 톤의 암모니아를 생산한다.
가스 상태의 질소를 암모니아로 전환시키는 것을 질소 고정(fixation)이라고 부르고 질소 분해 효소(nitrogenases)라고 불리는 효소를 통해서 이루어진다. 일부 박테리아를 활용하는 질소 분해 효소는 질소를 암모니아로 환원시킬 수 있는 유일한 효소이다.
이 연구는 효소와 전극 간의 인터페이스를 설계해서 효소가 전극 표면과 교류할 수 있게 했다. 그동안 질소 분해 효소를 연료 전지 분야에 적용하는 연구는 거의 이루어지지 않았다. 이번 연구진은 질소화 효소와 수소화 효소를 사용해서 질소 고정의 생물학적 과정을 복제한 연료 전지 시스템을 개발했다.
이 연료전지는 탄소 종이(carbon paper) 전극으로 연결된 두 개의 구획으로 구성된다. 수소 가스는 수소화 효소에 의해서 산화되고 전자는 양극으로 이동된다. 다른 하나는 전자들이 음극에서 나와서 암모니아를 생성하기 위해서 질소와 결합된다.
전자들은 회로를 통해서 양극에서 음극으로 이동한다. 양성자는 양극 및 음극 챔버 사이의 멤브레인을 이동하고, 암모니아를 합성하기 위해서 수소 원자를 공급한다. 전자들의 이동은 전류를 생성해서 소량의 전기가 발생한다.
아직 해결해야 할 몇 가지 문제점이 존재한다. 하나는 질소 분해 효소의 높은 산소 민감성이고, 다른 하나는 고가의 ATP(adenosine triphosphate)가 필요하다는 점이다. ATP는 세포 속의 에너지원이고 질소 고정 시에 필요하다. 다음 연구 목표는 ATP가 필요하지 않는 공정을 개발하는 것이 될 것이다. 이 연구의 가장 주목할 만한 부분은 에너지 소모를 매우 줄이면서 암모니아를 제조할 수 있다는 점이다. 실제로는 암모니아를 생성하면서 동시에 전기를 생산할 수 있지만, 현재 소량의 전기만이 생산되기 때문에, 전기의 생산량을 증가시키는 것도 하나의 과제가 될 수 있을 것이다.
이 연구결과는 저널 Angewandte Chemie International Edition에 “Bioelectrochemical Haber-Bosch Process: An Ammonia-Producing H/NFuel Cell” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/anie.201612500).
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