Research

[POSTECH, 질소와 산소만으로 이산화질소 직접 합성 성공... 새로운 우주시대 기대]

공기 중 질소와 산소만으로 화학물질을 만들 수 있다면? 최근 POSTECH 연구팀이 레이저 한 방으로 이를 현실로 만들었다.

 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 이주호 박사, 물리학과 통합과정 조규상 씨, 첨단원자력공학부 박사과정 이승준 씨 연구팀이 질소와 산소 혼합물에 강력한 레이저를 쏘아 플라즈마^*1 를 만들고, 이 환경에서 이산화질소가 생성되는 것을 실험으로 입증했다. 암모니아 기반 공정을 거치지 않고 공기 성분만으로 NO2를 생성한 것으로, 번개가 대기 성분을 변환하는 현상을 실험실 규모에서 구현했다. 

 연구팀은 높은 압력(55기압 이상)에서 질소와 산소를 초임계 유체 상태로 만들었다. 초임계 유체^*2는 기체도 액체도 아닌 특수한 상태로, 화학 반응에 훨씬 유리한 매질로 알려져 있다. 여기에 고출력 나노초 펄스 레이저를 집광시키자 투명했던 반응기가 점차 이산화질소 특유의 갈색으로 변했고, 분광 및 화학 분석을 통해 이를 검증했다.

 이산화질소 합성 조건을 분석하기 위해 레이저 에너지, 질소-산소 혼합 비율, 초임계유체 압력을 바꾸면서 실험을 수행했다. 실험 결과, 레이저 에너지가 높을수록 플라즈마의 부피에 비례하여 이산화질소 생성량이 증가했다. 그러나 혼합 초임계 유체에서 산소 비율이 높아지면 이산화질소 합성량이 줄어들었다. 이는 플라즈마 내부 화학반응 조건에 있어서 기체의 조성이 중요하다는 뜻이다. 저압 (~10기압) 질소-산소 혼합 가스와 고압 (~100 기압) 혼합 초임계 유체 매질에서 플라즈마에 의한 이산화질소 합성량을 비교한 결과 같은 조건에서도 초임계유체 환경이 저압 혼합 기체 대비 더 높은 생성량을 보였다. 이는 초임계유체 환경이 플라즈마 화학 반응을 촉진한다는 점을 보여준다. 

 본 연구는 NO2 직접 합성의 실험적 가능성과 조건을 제시한 연구 성과이다. 이 기술은 대규모 공정과 비교했을 때 촉매나 복잡한 설비 없이 이산화질소를 바로 합성할 수 있다는 점에서 소형·분산형 화학 반응기로의 확장 가능성을 보여준다. 나아가 우주 환경과 같은 자원과 공간이 제한된 극한 환경에서 공기만으로 필요한 화학물질을 현장 생산하는 기술로 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

 윤건수 교수는 "공기 성분만으로 이산화질소를 합성한 이번 연구는 지속 가능한 화학 합성과 우주 자원 활용의 바탕을 마련한 의미 있는 성과"라고 강조했다.

 한편, 이번 연구성과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'에 게재됐으며, 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다. 

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-21381-z

1) 플라즈마(plasma): 기체가 매우 높은 에너지를 받아 전자와 이온으로 분리된 상태를 말한다. 흔히 ‘제4의 물질 상태’라고 불리며, 고체·액체·기체와는 다른 독특한 성질을 가진다. 자연계에서는 번개, 오로라, 태양에서 관찰되며, 인공적으로는 네온사인, 반도체 공정 장비 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

2) 초임계 유체(supercritical fluid): 임계점 이상의 압력과 온도에 도달한 유체를 말한다. 유체의 종류에 따라 임계점은 다양한데, 이 연구에서 사용된 질소 및 산소의 경우 각각 상온 (300 K)에서 36.7 기압, 50.6 기압의 임계점을 가진다.  초임계 유체는 낮은 점성과 매우 높은 열전도율 및 화학적 활성도를 가진 것이 특징이며, 다양한 산업 분야에서 응용되고 있다.