크리스 리(Chris Li) 팀이 개발한 플라즈마-전기화학 반응기는 탄소 발자국 없이 공기 중의 니트로겐을 암모니아로 변환할 수 있습니다.
사진 제공: Douglas Levere/University at Buffalo
당신은 하버-보쉬 프로세스(Haber-Bosch process)에 빚을 지고 있을 가능성이 높습니다.
수소와 질소 사이의 이러한 화학 반응은 전 세계 식량 공급의 대부분을 공급하는 합성 비료의 핵심 성분인 암모니아를 생성하며 지난 세기의 인구 폭발을 가능하게 했습니다.
또한 미래 세대의 존재를 위협할 수도 있습니다. 이 공정은 전 세계 총 에너지 공급량의 약 2%를 소비하며 반응에 필요한 수소는 대부분 화석 연료에서 나옵니다.
번개를 포함한 자연이 암모니아를 생성하는 방식에서 영감을 받아 버팔로 대학이 이끄는 팀은 탄소 발자국 없이 공기와 물 속의 수소로 화학 물질을 생산하는 반응기를 개발했습니다.
미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 발표된 연구에 기술된 이 플라즈마-전기화학 반응기는 실온에서 1,000시간 이상 하루에 약 1g의 높은 암모니아 생산률을 유지할 수 있으며 공기에서 직접 암모니아 생성을 수행합니다.
연구진은 이것이 산업적으로 경쟁력 있는 생산 속도와 반응 안정성으로 그린 암모니아 합성을 향한 중요한 진전이라고 말합니다.
"암모니아는 종종 전 세계를 먹여 살리는 화학 물질로 간주되지만, 우리는 또한 하버-보쉬 공정이 100년 전에 발명된 이래로 현대화되지 않았다는 사실을 깨달아야 합니다. 그것은 여전히 고온, 고압 처리를 사용하고 큰 탄소 발자국을 생성하여 장기적으로 지속 불가능하게 만듭니다"라고 연구의 교신 저자인 Chris Li, Ph.D., UB College of Arts and Sciences의 화학 조교수는 말합니다. "우리의 공정에는 공기와 물만 필요하며 재생가능한 전기로 전력을 공급할 수 있습니다."
자연의 질소 순환을 모방합니다
자연은 그 자체로 비료를 생산하는 방법을 가지고 있습니다.
질소 고정에서 낙뢰의 전기 에너지는 대기 중의 질소 분자를 분해하여 다른 질소 산화물 종을 형성합니다. 질소 산화물은 빗물로 떨어진 후 토양의 박테리아에 의해 암모니아로 전환되어 식물에 영양분을 공급합니다.
UB가 이끄는 팀의 2단계 반응기에서 번개의 역할은 플라즈마로, 박테리아의 역할은 구리-팔라듐 촉매로 대체됩니다.
"우리의 플라즈마 반응기는 가습된 공기를 질소 산화물 조각으로 변환한 다음 구리-팔라듐 촉매를 사용하여 암모니아로 변환하는 전기화학 반응기에 넣습니다"라고 Li는 말합니다.
결정적으로, 촉매는 플라즈마 반응기에 의해 생성된 수많은 이산화질소 중간체를 흡착하고 안정화시킬 수 있습니다. 연구팀의 그래프 이론 알고리즘은 대부분의 질소산화물 화합물이 암모니아가 되기 전에 중간 단계로 산화질소 또는 아민으로 순환한다는 것을 확인했습니다. 이를 통해 팀은 이 두 화합물과 유리하게 결합하는 촉매를 지능적으로 설계할 수 있었습니다.
"플라즈마 에너지나 낙뢰가 질소를 활성화하면 질소 산화물 화합물이 생성됩니다. 우리의 경우 최대 8개의 서로 다른 화합물이 동시에 암모니아로 변환하는 것은 매우 어렵습니다"라고 연구의 첫 번째 저자이자 Li의 실험실에서 박사 후 연구원인 Xiaoli Ge는 말합니다. "그래프 이론은 기본적으로 모든 다른 반응 경로를 매핑한 다음 병목 현상이 있는 화학 물질을 식별할 수 있게 해줍니다. 그런 다음 전기화학 반응기를 최적화하여 병목 현상이 있는 화학 물질을 안정화함으로써 모든 다른 중간체가 암모니아로 선택적으로 전달될 것입니다."
규모 확장
Li의 팀은 현재 반응기를 확장하는 과정에 있으며 상용화를 돕기 위해 스타트업 및 업계와의 파트너십을 모색하고 있습니다. UB의 기술 이전 사무소는 원자로와 그 사용 방법에 대한 특허 신청서를 제출했습니다.
전 세계 암모니아의 절반 이상이 중국, 미국, 러시아, 인도 등 4개국에서 생산되고 있지만 많은 개발도상국은 자체 암모니아를 생산하지 못하고 있습니다. 하버-보쉬 공정은 중앙 집중식 발전소에서 대규모로 수행되어야 하지만, 리는 하버-보쉬의 시스템이 훨씬 더 작은 규모로 수행될 수 있다고 말합니다.
"지붕에 태양 전지판이 있는 중형 선적 컨테이너 같은 곳에 있는 반응기를 상상할 수 있습니다. 그런 다음 전 세계 어디에나 배치할 수 있으며 해당 지역의 수요에 따라 암모니아를 생산할 수 있습니다"라고 그는 말합니다. "이는 우리 시스템의 매우 흥미로운 장점이며, 이를 통해 Haber-Bosch 공정에 대한 접근이 제한된 저개발 지역에서 암모니아를 생산할 수 있게 될 것입니다."
이상의 기사는 2024년 12월 19일 Phys.org에서 발간한 “Eco-friendly reactor mimics lightning to produce ammonia from air and water”제목의 보고서의 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Eco-friendly reactor mimics lightning to produce ammonia from air and water
* 추가정보 출처 : Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis | Journal of the American Chemical Society
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