암모니아로 가는 더 깨끗한 경로

James Mitchell Crow는 호주 멜버른에 거주하는 프리랜서 작가입니다.

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Jupiter Ionics의 최고 과학 책임자인 Douglas Macfarlane은 녹색 비료 생산을 희망하고 있습니다. 출처: Steve Morton/Jupiter Ionics

호주 멜버른 소재 Jupiter Ionics는 2021년 멜버른 Monash University에서 분사되었습니다.

리튬 원자가 함께 작용할 때 알려진 가장 강력한 화학 결합 중 하나를 끊을 수 있다는 것은 화학의 묘한 기이한 현상입니다. 리튬은 삼중 결합된 질소 분자(N2)를 취하고 주변 조건에서 이를 두 개로 분해할 수 있습니다.

The Spinoff Prize 2023의 최종 후보인 호주 멜버른의 Jupiter Ionics는 이 화학 물질을 활용하여 암모니아(NH3)를 만드는 것을 목표로 합니다.

암모니아는 세계가 작물 재배에 의존하는 합성 비료를 생산하는 데 중요합니다. 1900년대 초부터 암모니아는 산업용 Haber-Bosch 공정을 통해 만들어졌습니다. 현재 전 세계 암모니아 생산량은 연간 1억 5천만 톤에 달합니다.

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"Haber-Bosch는 오늘날 세계 화학의 매우 중심적인 부분이지만 화석 연료에 의존하고 있습니다."라고 멜버른 Monash 대학의 전기화학 연구원이자 Jupiter Ionics의 창립자이자 최고 과학 책임자인 Douglas Macfarlane은 말합니다. 이 공정은 높은 압력과 온도에서 작동하며 비교적 소규모이고 간헐적인 재생 에너지 특성과 결합하기 어려운 대규모 중앙 집중식 지속적으로 운영되는 공장에서 작동한다고 Macfarlane은 설명합니다. Haber-Bosch는 전 세계 탄소 배출량의 약 1.5%를 책임지고 있으며 그 기여도는 계속 증가하고 있습니다.

Macfarlane의 Monash 연구소는 암모니아로의 선택성이 높은 리튬 매개 전기화학적 경로를 개척했습니다. 이 과정에는 공기, 물, 재생 가능한 전기가 사용됩니다. 2021년 Macfarlane은 프로세스를 확장하고 상용화하기 위해 Jupiter Ionics를 설립했습니다. 녹색비료 생산이 일차 목표지만, 탄소 없는 연료로 암모니아를 생산하는 것도 전망이다. Jupiter의 기술은 Haber-Bosch와 상업적으로 경쟁할 수 있는 속도로 무탄소 암모니아 생산을 달성하려는 미국 에너지부의 목표에 근접하고 있습니다.

고온과 고압이 아닌 전류를 사용하여 질소 분자를 분리하여 암모니아를 생성한다는 아이디어는 100년 전으로 거슬러 올라갑니다1. 전기화학 전지의 전극은 촉매 매개 과정에서 N2를 분리한 다음 원자를 물에서 공급되는 양성자(H+)와 결합하여 암모니아를 형성할 수 있습니다.

Jupiter Ionics의 CEO인 Charles Day는 적어도 이것이 이론이라고 말합니다. "사람들은 소량의 암모니아를 만들어냈지만 상업적으로 관련이 있으려면 상당한 속도로 암모니아를 생산할 수 있어야 합니다"라고 화학 엔지니어에서 기술 상업화 담당 임원으로 변신한 Day는 말합니다. Day는 창립 CEO가 되기 전에 처음에 Monash와 회사의 사업 계획을 작성하는 데 참여했습니다.

자연 전망의 일부: 스핀오프 상 2023

문제는 세포가 암모니아 대신 수소 가스(H2)를 생성하기 위해 양성자 쌍을 결합하는 더 간단한 경로를 취하는 부반응을 억제하는 데 있습니다. 수소는 일반적으로 전기화학 공정에서 가장 중요한 생성물입니다. 선택성 문제로 알려진 이 문제는 패러데이 효율(FE)이라는 측정 기준으로 설명됩니다. 즉, 전기 입력을 기반으로 생성될 수 있는 암모니아에 비해 생성된 암모니아의 양입니다. 몇 년 전까지만 해도 암모니아 선택도는 FE가 5~20%에 불과한 것으로 보고되었습니다.

2019년에 여러 후보 전기촉매 시스템을 평가하고 암모니아를 거의 또는 전혀 만들지 않은 후 Macfarlane의 Monash 팀은 리튬을 시도했습니다. Macfarlane은 "리튬이 질소와 반응한다는 것은 리튬 배터리 세계에서 꽤 잘 알려져 있었습니다"라고 회상합니다. "리튬으로 질소 분자를 터뜨릴 수 있다는 것은 매우 흥미로운 단계입니다."