저온·상압에서 물과 질소를 원료로 한 전이금속 산화물촉매 기반 전기화학적 암모니아 합성

Abstract

화석연료 기반 에너지산업에서 발생하는 미세먼지와 기후변화에 따른 온실가스 감축 및 미래 화석연료의 고갈에 대응하기 위해 재생에너지 활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 재생에너지는 시간적 단속성과 지역적 편재성 때문에 발생하는 잉여 에너지 손실을 줄이기 위한 에너지 저장장치가 반드시 필요하다. 암모니아는 수소의 함량이 17.6wt% 이며 수소보다 높은 에너지 밀도(H2 HHV : 3.6·m−3, NH3 HHV : 13.6 GJ·m−3)를 가지고 있으며 상온 8.5기압 또는 상압 -33℃에서 액체 상태로 수소보다 용이하게 대용량 저장 및 이송이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 암모니아 기반 에너지 저장 및 무탄소 연료 활용 또는 수소 캐리어로써 암모니아의 활용이 많은 관심을 받고 있다. 현재 암모니아는 세계적으로 연간 2억톤 이상 Haber-Bosch 공정을 통해 합성하고 있다. 이 공정은 300 ~ 400℃의 고온과 150 ~ 250 bar의 고압 반응으로 32 GJ/ton NH3 이상의 많은 에너지를 사용하며 천연가스나 석탄을 사용하여 수소를 생산하기 때문에 3.45 kg CO2/kg NH3의 많은 양의 CO2를 배출한다. 이러한 기존 합성 공정의 단점을 해결하고 시간적 단속성을 갖는 재생에너지의 대용량·장기 저장을 위하여 최근 저온·상압에서 물과 질소를 원료로 전기화학적으로 암모니아를 합성하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 기존 물과 질소를 원료로 저온·상압 전기화학적 암모니아 합성 연구 개발의 주요 문제점은 질소 환원 전극 촉매의 낮은 질소 선택성으로 높은 패러데이 효율 달성이 어렵다는 것이다.

따라서 본 연구에서는 높은 질소 선택성 전극 촉매 탐색 연구를 위하여 양이온 교환막 또는 음이온 교환막과 전이금속산화물 촉매들을 사용하여 전기화학적으로 암모니아를 합성하는 연구를 수행하였다. 모든 실험은 상압 저온(<100℃)에서 실험을 수행하였다. 첫 번째로 양이온 교환막 기반 암모니아 합성 촉매는 전이금속촉매 ReO2를 합성하여 사용하였으며 특성은 Transmission Electron Microscope(TEM), Energy Dispersive Spectrometry (EDS), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)로 분석하였다. 상온(25℃) 상압 1.2 V – 2.5 V의 인가전압에서 진행하였고 암모니아 합성량 및 패러데이 효율을 비교, 분석하였으며 1.5 V의 인가전압에서 9.79 × 10-12 mol∙s-1∙cm-2의 최대 합성량을 보였다. 두 번째로 음이온 교환막 기반 암모니아 합성은 8 M 농도의 수산화칼륨 수용액을 사용하였으며 상업용 Fe2O3 나노 분말과 전기 전도성 활성탄(Activated carbon)의 혼합물을 촉매로 사용하였다. 실험은 저온(100℃) 및 상압과 1.5 V – 1.7 V의 인가전압에서 진행하였으며 암모니아 합성량 및 패러데이 효율을 비교 분석하였고 1.6 V의 인가전압에서 2.04 × 10-8 mol∙s-1∙cm-2의 최대 합성량을 보였으며 1.6 V의 인가전압에서 연속실험을 진행하였다.