하이브리드 전기 분해로 인해 높은 암모니아 수율이 생성된다

촉매 대신 플라즈마 전극을 이용하면 주변 조건에서 암모니아를 효율적으로 생성할 수 있다. 하지만 그것이 곧 하버-보쉬 프로세스를 대체하지는 않을 것이다. 1900년 16억 명이었던 세계 인구가 오늘날 77억 명으로 급격히 증가한 것은 암모니아의 인공 합성이 없었다면 불가능했을 것이다. 20세기 초 프리츠 하버와 칼 보쉬의 발명품은 대기 질소를 식물이 사용할 수 있는 형태로 고정시켜 값싸고 풍부한 비료를 제공한다. 그러나 이러한 성공에는 비용이 수반되지 않는다. 하버-보쉬 공정은 고온, 고압, 수소 분자를 필요로 하며, 이는 현재까지 천연 가스와 같은 화석 연료의 촉매 전환에서 비롯된다.

Haber-Bosch의 대안은 전기와 촉매를 사용하여 물로부터 H2를 얻어 주변 환경에서 암모니아를 합성하지만, 이러한 전기 분해 실험은 지금까지 제한적인 성공만을 거두었다. 현재, 라이언 호토프, R. 모한 산카란, 줄리 레너와 케이스 웨스턴 리저브 대학의 동료들은 저온 플라즈마를 조작함으로써 새로운 전기 분해 방법을 개발했다. 촉매를 사용하지 않고, 연구자들은 이전의 시도보다 최대 4배 높은 비율로 암모니아 수율을 생성했다. 그들의 특별한 실험 설정은 최대 100%의 기록적인 패러디 효율성(반응이 원하는 생성물을 얼마나 효과적으로 생성하는지를 보여주는 척도)에서 실행됐다. 도식에 나타난 하이브리드 전기분해 시스템의 설계는 전통적인 양극을 플라즈마로 대체한다.  Sankaran은 "플라스마는 전하를 포함하고 용액은 전하를 포함하며, 그것들을 결합하려고 시도하는 것은 자연스러운 일입니다."라고 말한다. 플라스마와 용액을 백금박 양극과 DC 전원 공급 장치와 결합하여 연구자들은 주변 조건에서 N2와 H2로부터 암모니아를 합성했다. 전류가 2 mA로 동조된 상태에서 반응은 0.44 mg/hr의 생성 속도로 진행되었다. 그것은 느리게 들릴지 모르지만, 이전의 시도보다 최대 10,000배 더 빠르다.

"이것은 중요한 성과입니다," 라고 이번 연구에 참여하지 않은 라이덴 대학의 화학자 데니스 헤터스헤드가 말한다. 초기의 전기 분해 실험은 대부분 암모니아 이외의 생성물을 생산했다. 60%의 효율을 보고한 이전 연구를 제외하고는 암모니아를 합성하려는 이전의 노력은 파라다이스 효과를 2~8%밖에 달성하지 못했다.

하이브리드 전기 분해 방법은 몇 가지 중요한 면에서 과거의 시도와 다르다. 그 새로운 기술은 물에 용해된 자유 전자를 이용한다. 저자들이 "알려진 가장 강력한 환원제 중 하나"라고 부르는 용해된 전자는 N2가 액체-물 표면에 접촉하면서 분해될 때 형성된다. 용해된 전자는 플라즈마에 의해 물에 주입된 후 수소 라디칼을 생성하여 질소와 효율적으로 반응하여 암모니아를 형성할 수 있다.

유망한 수율과 효율성에도 불구하고 하이브리드 전기분해법은 가까운 미래에 하버-보쉬 공정을 대체하지 못할 것이다. "수소 라디칼을 만드는 것은 에너지를 소모합니다."라고 Hetterschide는 말했다. "이 에너지는 암모니아 합성 중에 나중에 다시 얻을 수 없습니다." 플라스마 음극을 사용할 때 발생하는 비용과 더불어 다음과 같은 막대한 비용이 든다. 새로운 방법은 동일한 양의 암모니아를 생산하기 위해 하버-보쉬 공정보다 약 200배 더 많은 에너지를 사용한다. 그럼에도 불구하고, 그 새로운 기술은 약간의 유용성을 가질 수 있다. Haber-Bosch 공정과는 달리 하이브리드 전기분해법은 DC 전원, 질소 가스 및 물을 사용하여 소규모 및 주변 조건에서 작동할 수 있다. Sankaran은 "이것은 기존의 Haber-Bosch 공장에서 멀리 떨어진 곳에서도 암모니아를 만들 수 있게 해줄 것입니다,"라고 말한다. 예를 들어, 비료 회사는 공급의 안전성을 향상시키고 유통, 저장 및 운송 비용을 낮추기 위해 암모니아를 만들고 생산자의 분산 네트워크를 형성할 수 있다. 그리고 미래에 화석 연료 소비가 감소함에 따라, 새로운 방법은 재생 가능한 수소 공급원에게도 매력적일 수 있다.