- Pulsed Laser-Initiated Dual-Catalytic Interfaces for Directed Electroreduction of Nitrate to Ammonia

- Talshyn Begildayeva+, Jayaraman Theerthagiri+, Vy Thuy Nguyen+, Ahreum Min, Hyeyoung Shin*, and Myong Yong Choi*

- Small Structures, 2024, 5, 2400187 (IF : 13.9)

- https://doi.org/10.1002/sstr.202400187

기존 암모니아 생산법인 하버-보쉬 공정법 (Harber-Bosch process)은 상당한 에너지 소모와 화석연료 연소로 인한 대량의 탄소 배출로 문제가 되고 있습니다. 이에 대한 대안으로 전기화학적 질소 환원 반응 (N₂RR) 공정이 주목을 받았지만 N₂RR은 질소 분자의 3중 결합을 끊어내는 단계에서 상당한 에너지를 소모하여 생산 효율이 낮아 효율적이지 못합니다. 때문에 기존 질소 기체 환원 대신, 폐수 속 독성 오염물질인 질산염(NO₂^-)을 환원시켜 암모니아를 만드는 질산염 환원 반응 (NO₂^-RR)이 새로운 친환경 암모니아 생산법으로 제시되었습니다. 본 연구에서는 금속 나노입자 (Pd, Pt, Ru, Ir)를 코발트 인산염 (Co₃(PO₄)₂; CoPi)에 결합한 이중 촉매 시스템을 설계하고 이를 Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) 기법으로 합성하였습니다. 이 기법은 별도의 화학적 환원제를 투입하지 않아 촉매 합성 후 환경오염을 일으킬 수 있는 부산물이 없는 친환경적 합성법입니다. 합성된 금속 나노입자-CoPi 복합 촉매의 각 나노입자 종류별 질산염 환원 반응의 성능을 측정한 결과, Ir-CoPi가 약 100%에 가까운 패러데이 효율과 선택도, 가장 우수한 NH₃ 생성율과 독성 질산염 분해율을 달성하였음을 확인하였습니다. 또한 DFT 계산을 통해 CoPi (200)면과 이리듐 나노입자 (111)면 상에서의 NO₂^-RR 메커니즘을 조사하고 비교하여 이리듐 나노입자 표면상의 반응이 에너지 장벽이 더 낮아 효과적인 촉매임을 이론적으로 밝혀냈습니다. 이 연구를 통해 새로운 촉매가 친환경적으로 합성될 수 있으며, 폐수의 오염물질을 암모니아로 전환하여 효율적으로 화학 원료 공급과 폐수 처리를 동시에 가능하게 함을 보여 산업과 환경 두 분야에서의 긍정적인 기여를 기대할 수 있습니다.