여러분들은 요소에 관해 얼마나 알고 계신가요? 요소란 암모니아와 이산화탄소를 기반으로 한 질소 비료입니다. 식물이 생장하기 위해 필요한 질소를 공급해주는 역할을 해요. 농사 이외에도 요소가 사용되는 분야가 있는데, 바로 석유화학 분야예요. 요소는 디젤유가 연소할 때 생기는 오염물인 질소산화물을 질소 분자와 물로 바꿔주는 역할, 즉 배기가스 정화 역할을 수행해요. 최근 주요 요소 생산국인 중국이 요소 수출을 막으면서 한국이 요소 대란, 더 나아가 유가 대란이 일어나게 된 이유도 바로 이러한 이유 때문이에요.

최근 연구된 요소 생산법에 대해 간단히 말씀드릴게요. ‘네이처 지속가능성’ 10월호에서는 기존의 암모니아 합성법 대신 질산염을 이용한 합성법이 소개되었어요. 인듐수화물(ln(OH)₃)을 촉매로 한 전기 촉매 합성법을 이용했다고 하는데요. 전기 촉매 합성이란 환원 전극에 촉매를 코팅한 뒤 전압을 가해, 코팅하지 않은 전극에 비해 전자가 많이 몰린 촉매 표면에서 환원 반응*을 일으켜 합성하는 방법이에요. 유독성의 암모니아 대신 질산염을 사용한다는 장점이 존재하지만, 질산염 또한 암모니아처럼 수급에 어려움이 있다는 단점이 존재해요.

‘네이처 화학’ 2020년 8월호에서는 암모니아 대신 질소 분자와 이산화탄소로 요소를 합성하는 방법이 소개되었어요. 이 또한 전기 촉매 합성법을 이용했으며, 티타늄산화물(TiO₂) 나노 시트에 팔라듐-구리(Pd-Cu) 합금 나노 입자 촉매를 분사한 환원 전극을 사용해요. 반응물을 수급하기는 쉽지만, 촉매의 가격이 비싸 아쉽게도 상용화가 어렵다고 합니다.

‘네이처 커뮤니케이션스’ 7월호에는 고가의 촉매를 대신할 수 있는 촉매 후보 물질에 대한 논문이 실렸어요. 몰리브덴붕화물(MoB₂)와 크롬붕화물(Cr₂B₂)이 그 주인공들인데요, 앞으로의 연구와 개발이 기대되는 바입니다.

산업계 연소시설에서는 미세먼지 원인 물질인 질소산화물을 포함한 배연가스를 배출합니다. 이를 정화하기 위해 질소 산화물을 물과 질소로 분해하는 탈질 촉매를 사용하는데요. 기존 탈질 촉매는 저온에서 촉매의 활성성분과 질소산화물 사이의 흡착반응이 일어나, 활성을 저해하는 물질이 형성되면서 내구성이 저하되는 문제가 있었습니다. KIST 연구팀이 이러한 흡착반응을 억제시켜 내구성을 높인 복합바나듐산화물계 촉매소재 개발에 성공했다고 합니다. 촉매 반응이 더 낮은 온도에서 진행되어 반응 효율도 높아졌다고 하네요.