사이언스 도쿄(Science Tokyo)의 연구원들은 암모니아(NH3) 생산에 사용되는 100년 된 기존 촉매를 훨씬 능가하는 획기적인 철 기반 촉매를 개발했습니다. 역구조로 설계된 이 혁신적인 촉매는 촉매 부피당 NH3 생성률이 크게 증가하여 농업 및 화학 분야에서 필수적인 공정인 암모니아 생산의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 제공합니다.
거의 100년 동안 전 세계 농업 수요를 지원하는 비료에 중요한 암모니아 생산은 하버보쉬(HB) 공정에 의존해 왔습니다. 이 공정은 질소(N2)와 수소를 촉매와 결합하여 암모니아를 생성합니다. 촉매 설계의 수많은 발전에도 불구하고 100여 년 전에 개발된 철 기반 “Promoted-Fe” 촉매는 여전히 대규모 암모니아 생산의 표준으로 남아 있습니다. 이 촉매는 다양한 온도와 압력에서 부피당 높은 NH3 생성 속도를 달성하는 데 가장 효과적인 것으로 간주되었습니다.
그러나 HB 공정의 효율성은 암모니아 생산이 촉매의 무게뿐만 아니라 촉매 부피당 생성 속도에 의해 제한된다는 사실로 인해 제한되어 왔습니다. 많은 학술 연구가 촉매 중량당 NH3 생산 속도를 높이는 데 중점을 두었지만 이 지표는 실제 생산 공정을 최적화할 때 관련성이 떨어집니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 하라 미치카즈 교수가 이끄는 사이언스 도쿄의 연구팀은 혁신적인 역구조를 가진 촉매를 개발했습니다. 이 새로운 설계는 기존의 철 기반 촉매 원리를 활용하여 성능을 크게 향상시킵니다.
NH3 합성을 위한 기존 촉매는 일반적으로 저밀도, 고표면적 물질에 의해 지지되는 작은 전이 금속 입자로 구성됩니다. 이 구성은 촉매 중량당 NH3 생산 속도를 높이지만 밀도가 낮기 때문에 촉매 부피당 암모니아 생성 속도가 제한됩니다. 이에 반해 사이언스 도쿄의 역구조 촉매는 칼륨과 수소화알루미늄(AlH)이 결합된 더 큰 철 입자를 사용하며, 이 조합은 단위 부피당 NH3 생성률을 크게 증가시킵니다.
이 새로 개발된 AlH-K+/Fe 촉매는 Promoted-Fe 촉매보다 거의 3배 높은 부피당 NH3 생성률을 달성하는 놀라운 성능을 보여주었습니다. 또한 기존 촉매가 비효율적인 범위인 50°C의 낮은 온도에서 효과적으로 작동하며 활성 감소 없이 2,000시간 이상 안정적으로 유지됩니다.
기계론적 연구에 따르면 역구조는 활성 부위의 밀도를 증가시키고 철 표면의 전자 공여를 향상시켜 반응의 속도 제한 단계에서 N2 절단의 효율성을 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다. 이 돌파구는 AlH-K+/Fe 촉매가 풍부한 토막 재료로 만들어지기 때문에 보다 지속 가능하고 에너지 효율적인 암모니아 생산을 약속합니다. 보다 지속 가능한 방식으로 NH3 생산을 발전시킴으로써 기후 변화 완화 노력에 기여할 수 있는 잠재력을 제공합니다.
이 혁신적인 촉매 설계는 암모니아 합성의 미래를 변화시켜 보다 효율적이고 환경 친화적으로 만들 수 있으며, 이는 글로벌 농업 생산 및 지속 가능성에 매우 중요합니다.
