폐수에서 비료를 뽑아낸다, 중국의 '슈퍼 촉매

중국 연구팀이 농업·산업 폐수의 질산염 오염을 암모니아로 전환하는 이중원자 촉매를 개발했다. 기존 대비 3배 효율로 요소 비료 원료를 생산, 글로벌 식량 안보 지형을 바꿀 수 있다.

강 하류 농민들은 수십 년째 같은 딜레마를 안고 살아왔다. 논밭에 뿌린 비료의 질소 성분이 빗물에 씻겨 강으로 흘러들고, 그 오염된 물은 다시 농업용수로 돌아온다. 오염의 순환이다. 그런데 중국 연구팀이 이 순환의 고리를 끊는 대신, 아예 역방향으로 돌리는 방법을 찾아냈다.

중국과학원 푸젠물질구조연구소의 한리리(韓麗麗) 연구팀은 농업·산업 폐수에 녹아 있는 질산염 오염물질을 암모니아로 전환하는 촉매를 개발했다. 암모니아는 요소 비료의 핵심 원료다. 이 연구는 지난 3월 18일 『미국화학회지(JACS)』 표지 논문으로 게재됐다. 핵심 성과는 숫자 하나로 요약된다. 기존 촉매 대비 전환 효율 약 3배.

두 개의 원자가 함께 일할 때

이 기술의 심장은 '이중원자 촉매(DAC, Dual-Atom Catalyst)'다. 이름이 낯설어도 개념은 단순하다. 기존 단일원자 촉매가 금속 원자 하나를 반응 주체로 쓴다면, DAC는 두 개의 금속 원자를 나란히 배치해 함께 작동하게 만든다. 마치 혼자서는 들기 어려운 짐을 두 사람이 나눠 드는 것처럼, 두 원자가 협력하면 질산염을 암모니아로 바꾸는 복잡한 다단계 반응을 훨씬 효율적으로 처리할 수 있다.

문제는 이 '두 원자 짝꿍'을 찾는 일이 그동안 거의 주먹구구식이었다는 점이다. 어떤 금속 조합이 잘 달라붙고, 어떤 조합이 높은 반응성을 내는지 예측할 이론적 기반이 부족했다. 연구팀은 여기에 딥러닝을 투입했다. AI 모델을 훈련시켜 수많은 금속 쌍 가운데 '결합률이 높은 조합'을 사전에 선별하도록 한 것이다. 시행착오를 데이터와 알고리즘으로 대체한 셈이다.

왜 지금, 왜 중요한가

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이 연구가 주목받는 이유는 기술 자체만이 아니다. 맥락을 보면 더 선명해진다.

전 세계 암모니아 생산의 70% 이상은 여전히 100년 된 하버-보슈 공정에 의존한다. 고온·고압 조건에서 수소와 질소를 결합하는 이 공정은 전 세계 에너지 소비의 약 1~2%를 차지할 만큼 에너지 집약적이다. 반면 이번에 개발된 촉매는 상온·상압에 가까운 조건에서 폐수 속 질산염을 직접 원료로 쓴다. 에너지를 덜 쓰면서 오염도 줄이는 두 마리 토끼를 잡는 구조다.

중국 입장에서 이 기술의 전략적 가치는 더욱 뚜렷하다. 중국은 세계 최대 비료 소비국이자 생산국이지만, 비료 원료 공급망은 지정학적 리스크에 노출돼 있다. 2022년 러시아-우크라이나 전쟁으로 글로벌 비료 가격이 폭등했을 때, 중국도 예외가 아니었다. 폐수를 비료 원료로 전환하는 기술은 수입 의존도를 낮추는 동시에 수질 오염 문제도 해결하는 '일석이조'의 해법이 될 수 있다.

기대와 현실 사이

물론 실험실 성과와 산업 현장 적용 사이에는 언제나 긴 거리가 있다. 이중원자 촉매는 합성 자체가 아직 복잡하고, 대량 생산 공정을 갖추려면 상당한 시간과 투자가 필요하다. 연구팀이 AI로 금속 쌍 선별을 자동화했다고는 하지만, 실제 폐수는 질산염 외에도 다양한 불순물을 포함하기 때문에 현장 조건에서의 내구성과 선택성을 검증하는 과정이 남아 있다.

비료 업계 일각에서는 기존 하버-보슈 공정에 대한 대규모 인프라 투자가 이미 이루어진 상황에서, 새로운 기술이 경제성을 갖추기까지 얼마나 걸릴지 회의적인 시각도 존재한다. 기술이 아무리 우수해도 비용 경쟁력이 뒷받침되지 않으면 시장 진입은 어렵다.

그럼에도 이 연구가 열어놓은 가능성은 무시하기 어렵다. 환경 규제가 강화되고 탄소 비용이 현실화될수록, 에너지 효율적인 대안 기술의 경제성은 점점 개선될 것이기 때문이다.