스탠포드 연구진, CO2를 배출하지 않는 암모니아를 생산하는 새로운 방법 발견

스탠포드의 Zarelab 프로젝트에서 과학자 Richard Zare, Xiaowei Song 및 Chanbasha Basheer는 세계에서 가장 흔한 비료의 기초인 암모니아를 생성하는 방법을 변화시킬 수 있는 새로운 친환경 화학 공정을 발견했습니다. 2022년 전 세계 암모니아 생산량은 약 1억 5천만 미터톤이었습니다.

질소와 수소의 무기 화합물인 암모니아(NH3)는 농작물에 화학 비료를 만드는 기본 요소 역할을 합니다. 암모니아의 약 70%는 식물 성장을 돕는 비료로 사용되며 나머지 30%는 주로 플라스틱, 폭발물, 합성 섬유에 사용됩니다.

100년 넘게 암모니아는 질소를 비료용 암모니아로 변환하는 Haber-Bosch 공정을 통해 생성되었습니다. Zarelab의 대표이자 스탠포드 자연과학 분야의 Marguerite Blake Wilbur 교수인 Richard Zare에 따르면 이 공정은 전 세계 에너지의 약 2%를 사용하고 매년 전 세계 이산화탄소 배출량의 1.3%에 기여한다고 합니다.

Zare는 "Haber-Bosch 공정이 화학 분야에서 가장 중요한 산업 공정 중 하나라는 것은 잘 알려져 있습니다. 결국 사람들이 세상을 먹이는 데 사용하는 것입니다"라고 말했습니다. "1800년대 말 사람들은 식물을 먹을 수 있는 것보다 인구가 더 빨리 증가하기 때문에 결국 우리 모두가 굶어 죽게 될 것이라고 생각했습니다. 우리를 구한 것은 질소를 섭취하고 전환시키는 방법을 배운 프리츠 하버(Fritz Haber)의 놀라운 발전이었습니다. 암모니아로."

Zare에 따르면, 이 공정은 질소 분자가 매우 불활성이기 때문에 에너지 집약적이며, 이는 원하는 암모니아를 형성하기 위해 수소와 쉽게 반응하지 않는다는 것을 의미합니다. 수소 원자는 공급원에서 나와야 하며 Haber-Bosch 공정은 증기(H2O)를 사용하여 천연 가스(메탄, CH4)를 H2와 CO로 변환하여 수소 원자를 얻습니다. 더 많은 증기가 추가되면 CO는 이산화탄소(CO2)로 변환되고 더 많은 수소 원자가 생성됩니다.

따라서 이 과정은 엄청난 온실가스 배출원입니다. Zare는 전 세계 산업 CO2 배출량의 7%가 암모니아 생산에서 발생하는 것으로 추산된다고 말했습니다.

암모니아를 생성하는 Zare, Song 및 Basheer의 새로운 공정에서 수소의 공급원은 메탄이 아니라 물이므로 이산화탄소가 배출되지 않습니다. 이 공정에는 전압을 인가하지 않고 광원에 의한 조사도 포함하지 않으며 실온 및 대기압에서 수행됩니다.

그들의 발견은 물 미세방울의 높은 반응성을 조사한 Zarelab의 최근 연구를 바탕으로 이루어졌습니다. 대량의 물은 양성이고 불활성인 경향이 있지만 물방울은 반응성이 높습니다. 송에 따르면, 이러한 미세 물방울은 가습기에서 나오는 안개로 생각할 수 있습니다. "이것들은 아주 작은 자산들입니다"라고 그는 말했습니다.

Zare는 실험실에서 미세한 물방울이 단단한 표면에 부딪힐 때 강한 화학 반응을 일으킨다는 것을 발견했다고 말했습니다. 암모니아를 생산하기 위해 과학자 팀은 가스 구동 분무기를 통해 물의 미세 방울, 질소 가스 및 산화철을 이동시켜 질소 결합을 끊습니다. 이 공정은 단단한 표면에 반응하는 미세 물방울의 능력에 의존합니다.

산화철은 반응의 촉매 역할을 하여 반응에 의해 변화되지 않고 반응을 가속화합니다. 연구진은 분무기용 흑연 메쉬에 촉매를 넣었습니다. 그런 다음 분무기는 미세 방울을 방출하며, 여기서 펌핑된 물과 질소는 촉매의 도움으로 반응하여 암모니아(NH3)를 형성합니다.

송에 따르면 팀은 CO2 없이 암모니아를 생성할 수 있다는 사실을 발견했을 때 매우 기뻤지만 조심스러웠다고 합니다.

송씨는 “기대했던 결과인지 고민도 많이 했고, 컨트롤도 많이 필요했다”고 말했다.

Zare는 "이것이 큰 일이 되려면 규모를 확대하고 관련된 모든 단계가 경제적으로 타당하다는 것을 입증해야 합니다"라고 말했습니다. "우리는 아직 문제를 해결하지 못했습니다. 이것은 여전히 ​​우리가 이야기하고 있는 작은 물방울입니다."

Zare는 이 프로젝트를 확장하기 위한 다음 단계는 엔지니어와 협력하는 것이라고 말했습니다. 그는 암모니아를 대규모로 확보하는 데 걸리는 시간은 5년 미만이지만 적어도 1년은 걸릴 것이라고 말했습니다. 그는 Haber-Bosch 프로세스를 완료하는 데 5년이 걸렸다고 덧붙였습니다.