초록 ▼

▣ 연구개요
□ 최근 수용액에서 전기화학적 질소환원반응(nitrogen reduction reaction; NRR)이 하버-보슈 공정의 에너지 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 본 연구는 상온에서 전기화학적 방법으로 암모니아를 합성함으로써 하버-보슈 공정의 에너지 집약적이고 환경에 부담을 주는 방법을 대체하고자 한다. 기존 공정의 주요단점인 고가의 촉매 사용으로 인한 경제적 부담을 줄이는 것을 목표로 한다.
□ 본 연구는 안정한 N₂를 활성화하여 NH₃로 전환하는 데 필요한 에너지

▣ 연구개요
□ 최근 수용액에서 전기화학적 질소환원반응(nitrogen reduction reaction; NRR)이 하버-보슈 공정의 에너지 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 본 연구는 상온에서 전기화학적 방법으로 암모니아를 합성함으로써 하버-보슈 공정의 에너지 집약적이고 환경에 부담을 주는 방법을 대체하고자 한다. 기존 공정의 주요단점인 고가의 촉매 사용으로 인한 경제적 부담을 줄이는 것을 목표로 한다.
□ 본 연구는 안정한 N₂를 활성화하여 NH₃로 전환하는 데 필요한 에너지 장벽을 극복하기 위한 전극 촉매를 개발하는 데 초점을 맞추고 있다. 연구의 초기 단계는 전기화학적 NRR의 반응속도를 개선하고, 이어지는 단계에서는 선택성과 효율을 높이는 촉매를 개발하여 암모니아 생산의 열역학적 및 반응속도론적 한계를 극복하고자 한다.

▣ 연구 목표대비 연구결과
□ 1차년도(2021.06.01. ~ 2022.02.28.) - 9개월
• 전기화학적 질소환원반응(NRR)에 대한 메커니즘적 이해를 바탕으로 특정 전이 금속 촉매에 기반한 NRR의 반응속도를 개선에 대한 연구를 수행한다. 대표적인 예로 Prussian blue analogue (PBA)와 계층적 이중층 수산화물(layered double hydroxides; LDHs)와 관련된 촉매들을 사용하고자 하였다. 이러한 구조체는 전기화학적 NRR 뿐만 아니라 다양한 방식으로 활용이 가능하였다.
• 과전위 영역에서의 NRR 활성도 변화를 분석하여, 여러 촉매 조합(예: Mo, Fe, Co, Ni 등)을 통해 NRR 반응속도가 개선될 수 있음을 확인했다.
• 에너지 기초물질인 기체 NH₃ 생산 과정에서 전극 촉매의 고정화의 필요성을 인식하여 물리적인 고정 방식의 최적화를 1차년도부터 추진하였다.
□ 2차년도(2022.03.01. ~ 2023.02.28.) - 12개월
• 고선택성 전극촉매의 디자인으로부터 수소발생반응(HER; hydrogen evolution reaction)을 억제하고 NRR을 촉진시킬 수 있는 연구를 Mo와 Fe 금속을 토대로 추진하였다.
• Mo와 Fe 조합으로부터 새로운 구조의 3D LDH 촉매 구조체를 개발하여, NRR 선택성을 현저히 향상시킬 수 있었다. NRR과 HER 간의 선택성을 향상시키기 위해, 전극-전해질 계면에서의 반응 특성을 규명했으며, 특히 N₂의 결합 및 전자전달 특성에 대한 심층적인 이해를 가능하게 하였다.
• 지속가능한 NH₃ 생산을 위해 탄소 천(carbon cloth)을 전극으로한 촉매의 직접 성장 방식을 활용하고 가능성을 확인하였다.
□ 3차년도(2023.03.01. ~ 2024.02.28.) - 12개월
• NH₃ 생성 효율과 전해질과의 관계를 규명하기 위한 연구가 추진되었으며, 전해질 조건에 따른 전극 반응 셀의 디자인을 달리하여 평가되었다.
• 선행연구 결과와 비교하여 촉매반응 효율(FE; Faradaic efficiency)이 향상되었음을 확인했으며, 이를 통해 전해질 최적화 과정의 중요성을 입증했다.
• H-type cell에서의 다양한 전해질과 촉매반응 효율을 비교 평가함으로써, 암모니아 생산을 위한 전극촉매 인터페이스 최적화에 대한 귀중한 데이터를 확보하였다.

▣ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
◯ 에너지 효율성 개선을 위한 기술 적용: 연구를 통해 개발된 촉매를 사용하여 하버-보슈 공정의 에너지 소비를 40% 이상 줄이는 신기술을 상업적 규모로 확대적용하는 데 향후 기여될 것으로 예상된다. 에너지를 더 적게 사용하면서도 필요한 암모니아를 생산함으로써 에너지 비용 절감을 달성할 수 있다.
◯ 환경 영향 최소화: 하버-보슈 공정으로 인한 대기 중 CO₂ 배출 감소를 목표로, 개발된 전기화학적 방법을 통해 암모니아 생산 과정에서 나오는 CO₂ 배출량을 현저히 줄일 수 있다.
◯ 지속 가능한 암모니아 생산 방안 개발: 전기화학적 방법으로 암모니아를 생산함으로써 식량 생산을 위한 비료의 지속 가능성을 높일 수 있다. 이는 재생 가능한 에너지원을 활용하게 되며, 암모니아 생산 과정의 친환경화에 기여할 것이다.
◯ 산업 경쟁력 향상: 본 기술은 암모니아 생산 산업의 경쟁력을 향상하는데 기여할 것으로 기대되며, 저렴하고 지속 가능한 방법으로 암모니아를 대량으로 생산할 새로운 기회를 제공할 것이다.
◯ 에너지 소비 및 환경 부담 감소: 하버-보슈 공정의 고효율 대체 기술로서, 상당한 양의 에너지 소비 및 CO₂ 배출을 감소시켜 환경 부담을 줄일 수 있다.
◯ 실용적인 암모니아 합성 방안 개발: 실용적이고 효율적인 암모니아 합성 방안을 개발함으로써 농업 비료뿐만 아니라 에너지 저장 매체로서의 암모니아의 활용 가능성을 증대시킬 수 있습니다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1.1 연구목표 및 범위 ... 5
• 1.2 연구 가설의 도출근거 ... 6
• 2 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 2.1 이론적 실험적 접근 방법 ... 7
• 2.2 연구개발과제 수행 과정 및 내용 ... 9
• 3 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 13
• 3.1 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 13
• 3.2 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3.3 목표 달성 수준 ... 16
• 3.4 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6 자체점검표 ... 18
• 7 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 30