비즈니스 기회
실온과 압력에서 암모니아 제조
암모니아는 지난 세기 동안 세계 식량 공급을 확보한 비료의 출발점입니다. 또한 청소 제품의 주요 구성 요소이며 차량의 화석 연료를 대체할 수 있는 미래의 무탄소 제품으로도 간주됩니다.
그러나 분자 질소에서 암모니아를 합성하는 것은 표준 반응이 진행되는 고온과 압력으로 인해 에너지 집약적인 산업 공정입니다. 미국 에너지부(Department of Energy)의 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab)의 과학자들은 이제 실온과 압력에서 작동하는 암모니아를 생산하는 새로운 방법을 가지고 있습니다.
1909년 이래로 암모니아 합성을 위한 업계 전반의 표준은 금속 기반 촉매를 사용하는 분자질소(디니트로겐, N2)와 수소가스와의 반응(Haber-Bosch Process)입니다. 버클리 연구소의 선임 과학자이자 화학 과학 부서 책임자인 폴리 아놀드(Polly Arnold)는 풍부한 소위 희토류 금속으로 만든 촉매가 실온에서 이 반응을 촉진할 수 있다는 것을 발견했습니다.
"희토류 금속이 이런 반응을 일으킬 것이라고는 아무도 예상하지 못했습니다. 그들은 잠재적인 주변 조건 촉매의 무기고를 확장했습니다"라고 UC 버클리의 화학 교수이기도 한 Arnold는 말합니다.
희토류 금속은 주기율표 맨 아래에 있는 그룹의 모든 비방사성 금속을 구성하는 은백색의 부드럽고 무거운 원소이며 전자 제품, 레이저 및 자성 재료 응용 분야에서 많은 관심을 끌고 있습니다.
"그들의 이름에도 불구하고, 희토류 금속은 실제로 희소하지 않습니다, 일부는 구리만큼 흔하며, 그 염은 이미 촉매 작용에 사용되는 금속보다 독성이 적습니다."라고 Anthony Wong는 덧붙였습니다.
근본적인 관점에서 희토류 금속의 흥미로운 점은 전이 금속에는 없는 추가 전자 세트가 있다는 것입니다. 이것은 전자에게 흥미로운 광자기 특성을 제공하지만 화학자들은 전자가 반응에 사용될 수 있는지 여부와 방법을 완전히 이해하지 못합니다. 희토류 금속과 관련된 반응을 조사하는 것은 희토류 금속의 전자 구조와 그 구조가 새로운 반응성에 어떻게 적용될 수 있는지 이해하는 데 매력적인 도구입니다.
희토류는 1990년대부터 분자 질소와 결합하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 지금까지 연구자들은 N2에서 촉매적으로 암모니아 또는 아민과 같은 질소 기능화 화학 물질을 만드는 데 사용할 수 없었습니다.
Wong, Arnold 및 그들의 동료는 음식에서 널리 이용되는 간단한 산화 방지제에 근거를 둔 페놀레이트에게서 한 간단한 결합을 가진 2개의 희토류 금속을 결합한 화합물을 디자인했습니다. 결과 구조는 직사각형 캐비티를 형성했습니다.
캐비티로 확산된 분자 질소는 양쪽 끝의 금속과 결합하여 가스를 활성화합니다. 그런 다음 칼륨 공급원에서 공동으로 유입된 전자가 활성 질소를 공격하여 결합을 절단했습니다. 모든 표준 형태에서 변환 된 질소는 수소 원자 또는 기타 반응물에 3 개의 공유 결합을 형성하여 대칭 암모니아 또는 아민을 생성합니다.
"우리의 촉매는 이질소를 활성화하고 유지하는 반면, 다른 시약은 들어와 반응하여 다른 제품을 형성합니다"라고 Arnold는 말했습니다. 그녀는 다음으로 칼륨 시약 대신 전극을 전자 공급원으로 사용할 계획인데, 예를 들어 태양 전지에서 파생된 경우 재생 가능할 수 있기 때문입니다.
과학자들은 다음으로 희토류를 사용하여 레터박스 모양의 공동의 모양과 크기를 조정하여 추가 질소 함유 제품을 합성하는 방법을 탐구할 것입니다.
"우리의 다음 단계는 어떤 희토류 금속 특성이 화학에 영향을 미치는지 탐구하고 이해하는 것입니다"라고 Wong은 말했습니다.
새로운 공정은 널리 퍼져 있는 Haber-Bosch 공정을 대체하지 않을 것입니다. 전 세계 암모니아 생산량은 2020년 이후 연간 약 2억 미터톤을 맴돌고 있으며, 기존 공구는 대규모로 최적화되고 매우 효율적입니다. 그러나 이 공정은 전 세계 에너지 사용량의 약 2%를 소비하며 암모니아 가용성에 지리적 불평등을 초래합니다.
웡은 "에너지 집약도가 낮고 식량 및 에너지 안보에 도움이 되도록 주변 온도와 압력에서 수행할 수 있는 암모니아를 생산하는 더 나은 방법이 필요하다"고 덧붙였습니다. 그들의 특허 기술은 비료와 화학적으로 특정한 질소 제품을 파이프라인이 없는 지역에 훨씬 저렴한 비용으로 가져올 수 있습니다.
이상의 기사는 2024년 5월 28일 Phys.org에 게재된 “Study introduces a cleaner way to produce ammonia at room temperature and pressure”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Study introduces a cleaner way to produce ammonia at room temperature and pressure (phys.org)
* 추가정보 출처 : Catalytic reduction of dinitrogen to silylamines by earth-abundant lanthanide and group 4 complexes: Chem Catalysis (cell.com)