장민 교수(환경공학과)연구팀, 질소 고정을 통한 암모니아 생산을 촉진하는 

Ru-doped Bismuth Titanate 페로브스카이트 산화물 광촉매 개발

본교 환경공학과 장민 교수(공동 교신저자) 연구팀의 박사후연구원 테 스웨 잔 박사(제1저자), 종초은 연구교수(교신저자) 그리고 최은하 교수(PRBC 소장)와 윤여민 교수(이화여대)는 희생시약 없이 암모니아 생산을 향상시키는 루테늄(Ruthenium, Ru)이 함유된 비스무트 티타네이트(Bismuth Tatanate) 광촉매를 개발하였다.

암모니아는 주로 비료 생산에 사용되는 주요 산업 화학 물질이며 수소로 전환 가능한 에너지 저장 물질로 주로 촉매가 있는 고압 및 고온에서 질소와 수소를 결합하는 방식인 하버-보쉬 공정을 통해 합성된다. 하지만 하버-보쉬 공정은 에너지 집약적이며 필요한 수소를 생산하기 위해 화석 연료에 크게 의존하여 상당한 온실 가스 배출을 초래하고 있으며, 암모니아에 대한 글로벌 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 보다 지속 가능한 생산 방법을 개발해야 할 필요성이 있다.

햇빛을 에너지원으로 활용하여 대기 질소와 물을 암모니아로 전환하는 광촉매 질소 고정 기술은 향후 주목받을 기술로 기존 하버-보쉬 공정에 비해 환경친화적이지만, 광촉매 암모니아 합성의 효율성, 확장성 및 경제적 실행 가능성을 최적화하기 위해서는 상당한 연구 개발이 필요한 실정이다. 메탄올이나 에탄올과 같은 희생 시약은 광촉매 질소 고정으로 암모니아 수율을 높이는 데 효과적이지만, 운전 비용이 증가한다.

비스무트 티타네이트(Bi4Ti3O12)는 광촉매 질소 고정 암모니아 생산에 적합한 밴드갭 구조를 갖지만, 광여기된 전자-홀(electron/hole) 쌍 분리가 제한적이고, N2상호 작용이 낮으며, HER(수소발생반응)이 유리하게 발생하기 때문에 한계가 있다. 이에 따라 장민 교수 연구팀은 희생 시약 없이 암모니아 생산을 위해 광촉매 표면의N2분자와의 활성 부위 간 상호 작용을 향상시키는 것을 목표로 하는 루테늄(Ru) 함유Bi4Ti3O12광촉매를 개발하였다. Ru-Bi4Ti3O12광촉매의 암모니아 생산 속도는 순수 Bi4Ti3O12광촉매에 비해 3.2배 높았으며, 희생 시약이 없는 경우 암모니아 형성에 있어, 먼저 광촉매의 원자가에서 N2를NOx종으로 산화시킨 후, 광촉매 전도대에서NOx종의 광-환원을 통해 암모니아가 형성되는 새로운 결과를 얻었다. 이러한 기작을 in-situ SERS 라만(Raman)과 time-lapse FTIR을 사용하여, Ru 도핑이 N2분자와 N2광-산화를 위한Bi 사이트 간의 상호 작용이 향상된다는 것을 추가 증명하였다.

[Ru-doped Bi4Ti3O12광촉매의 질소 고정 암모니아 생산 원리]

본 연구는 Applied Surface Science (JCR IF 6.3, 재료 과학(코팅 및 필름) 분야 1위, JCR 순위: 97.83%)과학 저널에 게재되었으며, 교육부의 지원을 받은 한국연구재단(NRF)의 연구비 지원(RS-2023-00240726, RS-2023-00282898, 2021R1A6A1A03038785 및2023R1A2C1003464). 으로 수행되었다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433224026060

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