촉매 암모니아 분해 연구http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=254727&cont_cd=GT

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-04

중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 ‘청정 에너지 국가 실험실’ 소속 ‘수소 에너지 및 선진 재료 연구부’ 궈젠핑(郭建平) 연구원이 주도하는 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 리튬의 이미노 화합물(Imino compound)(Li2NH)과 질화 철이 복합된 후 나타내는 우수한 촉매 암모니아 분해를 통해 수소를 제조하는 면에서 활성을 보유하고 있다는 점을 발견하였다. 동일한 반응 조건 하에서 예를 들면 450℃ 수준에 도달할 때 동 복합 촉매 시스템의 활성은 서포트(Supported) 타입 철 기반 촉매 혹은 질화 철에 비해 한 개 수량 등급이 더 높은 상황이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 새로운 차원에서 알칼리 금속 보조제 역할을 해석하였을 뿐만 아니라 효율적인 촉매 디자인, 특히 귀금속을 대체할 수 있는 촉매 디자인을 위해 새로운 아이디어를 제공해 주었다. 연구팀이 관련 연구 성과에 기반하여 작성한 과학연구 논문은 ‘독일 응용화학’ 학술지 편집인으로부터 높은 평가를 받았으며 VIP(Very Important Paper) 형식으로 ‘독일 응용화학’ 학술지에 온라인으로 발표되었다(Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.201410773). 알칼리 금속 보조제는 다양한 촉매 과정에서 중요한 역할을 발휘한다. 하지만 관련 역할의 메커니즘에 대해 과학자들은 장기간 논쟁을 해온 상황이다. 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 XRD, XAFS, 동위원소 표기 및 이론 계산 등 분석과 표면 특징 분석 방법을 이용하여 리튬의 역할 메커니즘에 대한 새로운 해석 작업을 실행하였다. 연구팀은 이미노기(基) 리튬이 나타내는 특성이 일반적인 전자가 발휘하는 역할(전자 보조제)과는 다르며 이미노기 리튬은 암모니아의 전송 매개체로 되는 동시에 질화 철 역할과 결합하여 높은 질소 함유량의 3원 질화물인 Li3FeN2 중간 생성물(Li+의 유도 효과가 Fe-N 결합을 안정시킴)을 생성시킴으로써 암모니아 분해 반응 루트를 개변시킨다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이런 발견을 기반으로 하여 신형 암모니아 분해 촉매 시스템을 개발하는데 성공하였다. 연구팀이 개발한 신형 암모니아 분해 촉매 시스템은 구체적으로 이미노기 리튬과 세 번째 사이클 전이 금속 혹은 관련 질화물의 복합 촉매 재료 시스템을 의미한다. 연구팀은 이번 연구를 통해 스칸듐(Scandium)과 아연(zinc)을 제외한 후 기타 3d 원소는 Li2NH와 복합된 후 모두 일반적이고 전례 없이 높은 촉매 암모니아 분해 활성을 나타내며 이런 활성 순서는 흥미로운 화산(火山)형 곡선을 나타낸다는 점을 발견하였다. 이런 화산형 곡선의 최고 점은 망간 원소에 위치하기 때문에 현재까지 이미 보도된 질소 분해 촉매의 활성 법칙과 뚜렷한 차이가 존재하고 있는 상황이다. 더욱 중요한 점은 질화 망간-이미노기 리튬의 촉매 암모니아 분해를 통해 수소를 제조하는 속도가 높은 활성을 보유하고 있는 Ru/CNTs 촉매보다 더욱 신속하다는 점이다. 중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 천핑(陳萍) 연구원이 주도하는 연구팀은 알칼리 금속 암모니아기 화합물에 대해 이미 10년간의 지속적인 연구를 실행하여 대량의 연구개발 성과를 취득한 상황이다. 연구팀이 실행한 관련 연구는 알칼리 금속 암모니아기 유형 화합물을 수소 저장에 응용하는데 성공하는 연구개발 성과(Nature, 2002, 420, 302)를 취득한 후 멀티 위상 촉매 연구에서 취득한 또 하나의 중대 혁신적 성과에 속한다. 이번 연구를 실행하는 과정에서 연구팀은 중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 ‘항천(航天) 촉매 및 신 재료 연구실’ 왕쥔후(王軍虎) 연구원 연구팀, 샤먼(厦門)대학 우안안(吳安安) 교수 연구팀의 지원을 받았다. 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘걸출(杰出) 청년 과학자 기금 프로젝트’ 비용 및 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 추진되었다. 그림 1. 촉매 암모니아 분해 연구에서 취득한 중대 혁신적 성과 20150203.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150130_4306929.shtml