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화학 비료에 사용되는 암모니아 생산을 위해, 과학자들은 보다 에너지 효율적이고, 환경 친화적인 방법을 찾고 있다. 이런 노력의 일환으로 새로운 촉매 반응이 발견되었다. 미국 과학자들은 질소와 물을 이용해 암모니아를 발생시킬 수 있는 반응에서 리튬 염과 전기장의 도움을 받아 나노크기 탄소의 스파이크가 촉매로 사용될 수 있다고 보고했다. 관련 연구는 Science Advances에 보고되었다 (DOI: 10.1126/sciadv.1700336). 그 동안 이론적으로는 제안되었지만 한번도 만들어진 적이 없는 촉매라고 연구팀은 밝혔다. 연구팀은 이번에 만들어진 촉매가 전기장을 기반으로 운영된다. 따라서 연구진은 이를 물리적인 촉매라고 부른다. 일반적으로 촉매는 화학 물질이다. 암모니아는 질소 원자 하나와 세 개의 수소 원자로 이루어져 있는 화합물로, 에너지가 많이 소요되는 하버-보시 공정(Haber-Bosch Process)으로 만들어졌다. 이 공정은 높은 온도와 압력을 사용해서 분자 질소의 안정된 결합을 쪼갠다. 암모니아를 생산하기 위해 공장에서 사용하고 있는 에너지는 전세계 사용 에너지의 약 3% 정도이며, 세계 지구 온난화 기체의 3-5 퍼센트가 발생한다고 연구진은 지적했다. 따라서 암모니아 생산에 따른 문제를 해결할 방법을 찾을 필요가 있다는 것이 연구진의 주장이다. 하버-보시 공정과는 달리, 미국 연구진이 발견한 공정은 수용액, 실온에서 일어나는 반응이다. 수용액에는 질소 기체와 과염소화 리튬 염이 녹아져 있으며, 나노크기의 탄소 스파이크가 촉매 역할을 한다. 탄소 스파이크는 50-80 나노미터의 길이와 팁은 1나노미터의 너비로 이루어져 있어, 전기장을 증폭하는 핫스팟으로 작동하며, 양으로 하전된 리튬 이온을 끌어당긴다. 리튬은 전리된 탄소 스파이크 주변에 집중된 질소 분자를 따라 끌기 위한 것으로 가정되고 있다. 일반적으로 촉매는 반응 분자와 촉매 표면에 화학 결합을 형성함으로 반응을 일으킨다. 하지만 이번 경우에는 아무런 화학 결합도 필요하지 않으며, 고-전기장에서 반응이 일어난다는 것이 연구진의 설명이다. 비록 반응의 수득률은 약 12퍼센트로 낮은 편이지만, 독특한 전기화학의 발견은 암모니아 생산을 대체할 수 있는 접근 방법을 개발하는데 도움이 될 것으로 보인다. 연구팀은 계산 모델링과 모의 실험을 통해서 실험 결과를 이해하고자 했다. 연구진은 전기장의 이론 값, 탄소 스파이크 주변에 이온이 풍부하다는 것과 질소의 분자 오비탈 에너지를 계산함으로 분자가 전기장 내에서 어떻게 불안정되는지를 기술했다. |
