(왼쪽부터)표지논문, 박주현 박사, 띠따기리 자야라만 박사, 최명룡 교수.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 자연과학대학 화학과 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장) 연구팀이 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 4일 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 고정돼 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.