숨겨진 구리 스위치로 녹색 암모니아 생산을 과급

암모니아는 비료 생산에서 중심적인 역할을 하며 현대 농업에 필수적입니다. 오늘날 대부분의 암모니아는 극도로 높은 온도와 압력에서 질소와 수소를 결합하는 Haber-Bosch 공정을 통해 생산됩니다. 이 접근 방식은 많은 양의 에너지를 필요로 하며 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 1.4%를 차지하는 것으로 추정됩니다. 암모니아는 세계 식량 공급과 매우 밀접하게 연관되어 있기 때문에 더 깨끗한 대안을 개발하려는 강한 동기가 있습니다.

암모니아로의 저온 경로 조사

도쿄 수도 대학 아마노 후미아키 교수가 이끄는 연구 그룹은 실온 및 상압에서 질산염으로부터 암모니아를 생성하는 새로운 방법인 전기화학적 질산염 환원 반응에 중점을 두었습니다. 전기화학 기술은 특정 반응을 유발하기 위해 전압을 가하는 동안 화학 용액에 전극을 배치하는 방식입니다. 초기 연구에서는 암모니아 형성 중 전극에서 발생하는 개별 단계가 확인되었지만 전체 이벤트 순서를 파악하기는 여전히 어렵습니다.

고급 도구를 사용하여 촉매 변경 사항 추적

고급 측정 기술을 사용하여 팀은 산화구리 촉매가 존재할 때 암모니아가 어떻게 형성되는지 훨씬 더 명확하게 이해했으며, 산화구리는 이 반응에 대한 가장 강력한 전기촉매 중 하나로 간주됩니다. 그들은 전자적 행동과 국소적 구조 변화를 모두 조사하는 기술인 Operando X-ray 흡수에 의존했습니다. 작은 구리 산화물 입자를 탄소 섬유에 부착함으로써 인가된 전압이 점점 음수로 변할 때 재료가 어떻게 반응하는지 관찰할 수 있었습니다.

양전압 하에서 그들은 질산염 이온이 촉매의 표면에 부착하여 촉매를 “부동태화”하여 산화구리가 금속 구리로 변환되는 것을 방지하고 대신 아질산염 이온을 형성한다는 사실을 발견했습니다. 전압이 더 음수가 되면 암모니아 생산량이 급격히 증가합니다. 이러한 증가는 금속 구리 입자가 나타나는 것과 동시에 발생하며, 이는 구리-구리 결합의 큰 점프로 확인됩니다. 연구진은 이 금속 구리가 아질산염 이온에 수소를 추가하여 암모니아 형성을 돕는다는 사실을 확인했습니다.

보다 효율적인 녹색 암모니아를 향한 길

연구 결과는 표면 부동태화가 구리 산화물의 성능에 어떻게 영향을 미치는지 보여주고 반응 중에 금속 구리를 생성하는 것이 효율적인 암모니아 생산에 필수적이라는 것을 보여줍니다. 이러한 결과는 녹색 암모니아 방법을 개선하고 차세대 전기화학적 촉매를 설계하기 위한 광범위한 전략 세트를 나타냅니다.

이 연구는 도쿄도립대학과 도쿄 글로벌 파트너 장학금 프로그램의 지원을 받았으며 신에너지 및 산업 기술 개발기구(NEDO)가 의뢰한 프로젝트 JPNP14004의 결과를 기반으로 합니다.