한국연구재단은 함형철(인하대), 이관영(고려대), 한종희 (한국에너지공과대) 교수 연구팀이 양자역학 시뮬레이션을 통해 전기화학적 암모니아 합성을 위한 고성능‘헤테로더블원자’ 촉매 소재를 개발했다고 밝혔다.
 
슈퍼컴퓨터를 이용한 양자역학 계산 기법을 활용,  촉매 활성 변화의 원인을 밝혀 촉매 설계의 가이드라인을 제시함과 동시에 이를 활용한 신촉매 물질을 발견했다. 
 
이 이론적 발견은 400~500oC의 고온과 150~300기압의 고압 조건에서 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 기존의 하버-보슈 화학 공정을 대체하여 탄소 배출 없이 상온 상압에서의 암모니아 합성을 가능하게 한다.
   
전기화학적 질소 환원을 통한 암모니아의 상온/상압 합성 공정은 촉매의 높은 과전압과 낮은 선택도 때문에 개발이 매우 어려웠다.
 
성공적인 촉매 개발에는 촉매 반응과 활성에 대한 원인 규명이 필수적인데, 실험적 접근은 직접 분석의 어려움 때문에 많은 시행착오가 동반되어 시간과 비용이 많이 드는 단점이 있다.

연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자역학 계산을 통해 촉매 활성을 극대화할 수 있는 원자 수준의 촉매, 특히 서로 다른 2개의 원자가 쌍으로 존재하는 헤테로더블원자를 설계하였다.
 

실험적으로 분석이 힘든 헤테로더블원자 촉매 작용의 정량적인 이해를 통해, 암모니아 합성 촉매 활성에 미치는 원리를 규명하고 촉매의 성능을 예측할 수 있는 간단한 디스크립터 (descriptor)를 발견하여 촉매 탐색의 가이드라인을 제시하였다.

가이드라인에 따라 금속 원자들의 조성 조합을 통해 촉매 후보 물질을 빠르게 탐색, 루세늄(Ru) 단원자 촉매에 비해 36% 향상된 활성을 보이며 암모니아 합성 효율이 증가된 루세늄-철(Ru-Fe), 루세늄-오스뮴(Ru-Os) 촉매를 도출하였다.

함형철 교수는“양자역학 계산이 미지의 암모니아 합성 반응에 대한 원리 규명과 헤테로더블원자 촉매 개발 시간 단축에 중요한 역할을 한 것”이라며, “후속 연구를 통해 상용화가 가능한 수준까지 촉매의 성능을 끌어올릴 것”이라고 밝혔다.

이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’에 1월 11일 게재되었다.