초록 ▼

연구개요
화석연료를 이용하여 합성되는 암모니아는 큰 에너지 손실과 함께 대량의 탄소배출이 이루어짐. 기존의 하버-보슈법을 대체하기 위한 방안으로 상온 상압조건에서 전기화학적으로 질소를 환원시켜 암모니아를 합성시키기 위한 효율적인 전이금속군 촉매를 개발하고 정량적, 정성적으로 분석하여 전기화학적인 암모니아 합성을 실현함.
범밀도함수계산을 통해 이론적으로 질소 환원 반응의 메커니즘을 규명하고 실험적으로 이를 증명함.

연구 목표대비 연구결과
-비료와 연료, 시약의 전구체로 사용되는 암모니아는 높은 온도와 압력

연구개요
화석연료를 이용하여 합성되는 암모니아는 큰 에너지 손실과 함께 대량의 탄소배출이 이루어짐. 기존의 하버-보슈법을 대체하기 위한 방안으로 상온 상압조건에서 전기화학적으로 질소를 환원시켜 암모니아를 합성시키기 위한 효율적인 전이금속군 촉매를 개발하고 정량적, 정성적으로 분석하여 전기화학적인 암모니아 합성을 실현함.
범밀도함수계산을 통해 이론적으로 질소 환원 반응의 메커니즘을 규명하고 실험적으로 이를 증명함.

연구 목표대비 연구결과
-비료와 연료, 시약의 전구체로 사용되는 암모니아는 높은 온도와 압력 조건에서 화석 연료를 이용해 합성하는 하버-보슈법을 통해 생산됨. 산업적으로 생산되는 암모니아는 많은 에너지 소모와 탄소 배출이 이루어짐. 이를 대체하기 위한 방안으로 상온과 상압 조건에서 전기화학적으로 질소를 환원시켜 암모니아를 합성하는 방안에 대해 제시하였음.
-VN, VNO, VO2, V2O3, V2O5, Mo2N, ZrN, WC, Ni2P, Mo2C의 전이 금속 군을 이용한 질화 금속 데이터를 구축하였고 산화물 전이금속과 합금에 대한질소 환원 촉매에 관한 연구를 진행하였음. 또한 표면 결함기 부여를통해 질소 환원의 성능을 극대화함.
-효과적인 전기화학적 질소 환원 시스템을 구축하기 위하여 금속 3D 프린터를 이용하여 입체적인 전극 지지체를 제작함. 이를 통해 암모니아 합성에 최적화된 전극 지지체를 설계하고 암모니아 촉매의 효율을 극대화함.
-쟁점이 되고 있는 암모니아 합성에 대한의문을 지시약을 이용한 정량 분석 및 동위원소 분석을 통하여 검증하고, 촉매의 표면 개질 제어를 통해 고효율 암모니아 합성촉매를 개발함.
-최적화된 전기화학 분석 시스템 셋업과 광전기화학시스템의 기반을 다져 빛을 이용한 광전기화학적 암모니아 합성 시스템을 구축함.
-표면 반응 메커니즘 분석을 위해 Ex-situ 분석 기법을 활용함. 방사광 가속기를 이용한 EXAFS XANES 분석을 통해 촉매 표면 vacancy에 흡착된 질소가 암모니아로 환원후 재사용될 수 있는 활성 사이트로 유지되는지에 대해 분석함.
-GC와 UV-Visible을 통해 실시간으로 암모니아, 하이드라진, 질소산화물을 검출할 수 있는 정량 및 정성 평가 시스템을 구축함.
-밀도범함수 계산을 통해 복합 촉매 표면에서 흡착된 질소의 거동을 이론적으로 규명하고 실험 검증을 통해 신뢰성을 확보함.

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
-높은 효율의 전기화학적 암모니아 합성 촉매를 개발함으로 광전기화학적 암모니아 합성의 가능성을 제시함. 더 나아가 태양광 시스템을 적용한다면 인가 에너지가 없는 친환경에너지의 표본이 될 수 있음.
-질소 환원과 수소발생반응이 경쟁적으로 반응하나 산업적으로 동시에 사용될 가능성을 제시함. 학문적인 관점에서, 촉매 표면에서 일어나는 수소 발생 반응과 질소 환원 반응은 서로 경쟁적이지만 산업적 측면에서는 둘 모두 유용한 에너지원일 뿐만 아니라 서로 밀접한 관계로 시너지 효과를 얻을 수 있음. 암모니아는 수소를 운반하기 위한 운반체로 사용될 뿐만 아니라 연료 자체로서 활용되기 때문에 산업적으로 될 수 있는 가능성이 높음.
-질소 환원 반응의 메커니즘을 분석함으로 다양한 질소 관련 부산물을 생산할 수 있는 기반을 마련함. 질소 환원 반응 중 하이드라진의 검출과 범밀도함수 계산을 통해 하이드라진의 합성 가능성을 증명함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1. 전이 금속군을 이용한 질화물계 금속 촉매의 합성 ... 4
• 2. 고효율 전기화학셀 시스템 설계 및 검출 분석시스템 확립 ... 6
• 3. 밀도범함수 계산을 이용한 바나듐 산화물-질화물 복합촉매 표면에서 질소의 흡착 분석 ... 8
• 4. 3D 프린터를 이용한 촉매 개발 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 13
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 33
• 끝페이지 ... 47