㈜한국탑뉴스 송행임 기자 | 경상국립대학교 자연과학대학 화학과 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장) 연구팀은 이산화탄소(CO2) 레이저를 이용해 니켈(Ni)과 코발트(Co) 단일 원자를 표면에 정밀하게 고정한 촉매를 개발하고, 이를 통해 생활하수나 농업 폐수 등에서 흔히 검출되는 질산염(NO3⁻)을 암모니아(NH3)로 바꾸는 동시에 전기를 생산할 수 있는 새로운 전기화학 시스템을 구현했다고 밝혔다.

 

이 연구 성과는 재료과학 분야 세계적 학술지 《어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)》(IF: 26.8) 커버 논문으로 발표됐다.

 

질산염은 비료, 생활하수, 음식물 쓰레기 등에서 발생해 수질을 오염시키는 주요 원인 중 하나로 꼽힌다. 연구팀은 이 질산염을 정화하는 동시에, 이를 유용한 자원인 암모니아로 전환하고 전기도 함께 생산할 수 있는 촉매를 개발했다.

 

특히 이번 촉매는 단 5분 내외의 짧은 CO2 레이저 공정만으로도 제조 가능해, 기존 고온·장시간 열처리 방식에 비해 간단히 제조가 가능하고 에너지 효율이 높으며 친환경적이라는 강점이 있다.

 

이 촉매의 핵심은 ‘이중 단일원자 구조’에 있다.

 

니켈(Ni)과 코발트(Co) 원자 하나하나가 ‘맥신(MXene)’이라는 2차원 소재 표면에 정교하게 고정되어 있다.

 

두 금속 원자는 질산염을 암모니아로 바꾸는 반응 과정에서 각각 다른 단계를 맡아 작용한다.

 

이로 인해 두 금속이 함께 있을 때 반응 효율이 더욱 높아지는 ‘시너지 효과’가 나타난다. 또한 이 촉매는 단순한 화학 반응에만 그치지 않는다.

 

아연 전극과 함께 구성된 전지 시스템에도 적용할 수 있으며, 이를 통해 암모니아를 만들면서 동시에 전기를 생산하는 이중 기능 시스템으로도 활용 가능성을 입증했다.

 

연구진은 “이번 기술은 오염물질을 제거하는 동시에 자원과 에너지를 생산할 수 있는 지속 가능한 방식”이라며, “단일원자 촉매 합성을 단시간에 끝낼 수 있는 간단한 레이저 공정이라는 점에서도 의미가 크다.”라고 설명했다.

 

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.