광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 KAIST 김형준 교수, 숙명여자대학교 김우열 교수 연구팀과 함께 미세먼지의 주요 원인인 일산화질소(NO)를 고부가가치 화합물인 하이드록실아민(NH2OH)으로 전환하는 기술을 개발했다.
하이드록실아민은 합성섬유 나일론의 원료인 카프로락탐(caprolactam) 생산에 필요한 주원료다.
상온에서는 액체로 존재하며 암모니아와 비슷해 효과적으로 수소를 저장할 수 있는 화합물이다.
사진 처리, 가죽 태닝 및 기타 폴리머 제조에도 사용하는 고부가가치 재료다.
연구팀은 일산화질소가 질소산화물 전환과정에서 생성물 종류를 결정하는 핵심 중간물질이라는 사실에 주목했다.
반응 경로를 제어하기 위해 철 단원자 촉매를 사용했다.
분광학과 계산화학 연구를 통해 산화된 단원자 철(Fe) 이온이 일산화질소 환원을 촉진시킨다는 사실을 확인했다.
반응 메커니즘을 분석한 결과, 단원자 철 이온에 달라붙은 일산화질소 주변 전기장의 세기에 따라 반응 경로가 변했다.
연구팀은 원자 수준으로 안정화된 철 이온 촉매의 활용 및 계산·분광학 기초 연구를 토대로 설계된 기술을 접목했다.
전해질의 산성도를 조절함으로써 친환경 물질인 하이드록실아민을 선택적으로 생산하는데 성공했다.
추가적인 외부 에너지 공급 없이 50시간이 넘도록 일산화질소를 하이드록실아민으로 바꾸는데도 성공했다.
전환율도 60%를 유지해 실용적 활용 가능성을 확인했다.
한편, 지구 대기의 78% 정도를 차지하는 질소는 육상, 해양, 대기를 순환하며 생태계의 생존에 매우 중요한 역할을 한다.
축산업, 농업, 운송업, 산업 및 에너지 부문에 대한 수요 증가로 인해 일산화질소, 이산화질소, 질산염, 아질산염, 아산화질소 등 막대한 양의 질소산화물이 배출 되고 있다.
이로 인해 산성비, 토양 산성화, 수질 오염 등의 환경오염 유발뿐만 아니라 미세먼지의 근본 원인도 되고 있다.
특히 아산화질소는 이산화탄소보다 대기질과 오존층에 미치는 영향이 300배 이상으로 알려져 있다.
최창혁 GIST 신소재공학부 교수는 “이번 연구는 미세먼지 주요 원인인 질소산화물을 줄이는 동시에 섬유 생산의 원재료와 수소에너지 저장물질을 확보할 수 있게 해준다는데 의미가 크다”라며 “추가로 질소산화물 이외 대기오염물질을 유용한 물질로 전환하는 연구를 진행할 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 25일자로 온라인 게재됐다.
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