'친환경' 암모니아와 '친환경' 비료를 향한 큰 발걸음

[아름이]

'친환경' 암모니아와 '친환경' 비료를 향한 큰 발걸음
새로운 MOF는 Haber-Bosch 공정에서 화학 반응물에서 암모니아를 분리하는 데 더 적은 에너지를 사용합니다.
날짜:
2023년 1월 11일
원천:
캘리포니아 대학교 - 버클리
요약:
비료의 핵심 성분인 암모니아 합성은 에너지 집약적이며 지구의 온실가스 온난화에 크게 기여합니다. 화학자들은 암모니아를 만드는 표준 Haber-Bosch 공정보다 더 적당한 압력과 온도에서 암모니아를 결합하고 방출하는 다공성 물질(금속-유기 구조 또는 MOF)을 설계하고 합성했습니다. MOF는 어떤 반응물에도 결합하지 않으므로 암모니아의 포획 및 방출이 에너지 집약적이지 않고 친환경적입니다.

지난 세기 녹색 혁명의 원동력인 합성비료용 암모니아의 산업적 생산은 세계 최대의 화학 시장 중 하나일 뿐만 아니라 가장 에너지 집약적인 시장이기도 합니다.

전 세계적으로 암모니아를 만드는 Haber-Bosch 공정은 모든 화석 연료의 약 1%를 사용하고 모든 이산화탄소 배출량의 1%를 생성하여 기후 변화의 주요 원인이 됩니다.

이제 UC 버클리의 화학자들은 암모니아 생산을 보다 환경 친화적으로 만들기 위한 큰 발걸음을 내디뎠습니다. "더 친환경적인" 비료를 위한 "더 친환경적인" 암모니아입니다.

더 적은 에너지 입력으로 암모니아를 만드는 주요 걸림돌은 Haber-Bosch 공정에 필요한 큰 온도 및 압력 변동 없이 반응물(주로 질소 및 수소)에서 암모니아를 분리하는 것입니다. 이 반응은 섭씨 약 300도에서 500도 사이에서 일어나지만 암모니아는 가스를 약 -20℃로 냉각하여 제거되며 이 시점에서 기체 암모니아가 액체로 응축됩니다. 이 공정은 또한 반응물을 대기압의 약 150-300배로 가압해야 합니다. 이 모든 것은 화석 연료 에너지를 필요로 합니다.

암모니아 분리를 위한 대체 방법은 덜 극한 조건에서 작동하는 대체 프로세스의 문을 열 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 UC 버클리 화학자들은 약 175℃의 적당한 압력과 온도에서 암모니아를 결합하고 방출하는 다공성 물질(금속-유기 구조 또는 MOF)을 설계하고 합성했습니다. MOF는 어떤 반응물에도 결합하지 않기 때문입니다. , 암모니아의 포획 및 방출은 더 작은 온도 변동으로 달성될 수 있으므로 에너지를 절약할 수 있습니다.

연구를 이끈 UC 버클리 박사후 연구원인 벤자민 스나이더(Benjamin Snyder)는 "비료 생산을 탈탄소화하는 데 있어 가장 큰 과제는 이상적으로는 최소한의 에너지 투입으로 매우 많은 양의 암모니아를 포획한 다음 방출할 수 있는 물질을 찾는 것"이라고 말했습니다. "즉, 암모니아를 강제로 제거하기 위해 재료에 많은 열을 가할 필요가 없으며 마찬가지로 암모니아가 흡수될 때 많은 폐기물이 발생하는 것을 원하지 않습니다. 열."

더 낮은 온도와 압력에서 작동하는 공정의 주요 이점 중 하나는 암모니아와 비료가 대규모의 중앙 집중식 화학 공장이 아니라 농부에게 더 가까운 소규모 시설, 심지어 농장 현장에서도 생산될 수 있다는 것입니다.

Snyder는 "여기서 꿈은 세계의 일부 경제적으로 불우한 지역의 농부가 농작물 재배에 필요한 암모니아에 훨씬 더 쉽게 접근할 수 있는 기술을 가능하게 하는 것"이라고 말했습니다. "분명히 말하자면, 우리의 재료는 그 문제를 완전히 해결하지 못했습니다. 그러나 우리는 수정된 Haber-Bosch 프로세스를 위한 암모니아 포집 맥락에서 금속-유기 프레임워크를 사용할 수 있는 방법에 대한 새로운 사고 방식을 제시했습니다. . 나는 이 연구가 그 방향에서 정말 중요한 개념적 발전을 나타낸다고 생각합니다."

Snyder와 이 논문의 수석 저자이자 UC 버클리 화학 및 생체 분자 공학 교수인 Jeffrey Long은 이번 주에 Nature 저널에 MOF 연구의 세부 사항을 발표할 예정 입니다. 이번 달 Snyder는 University of Illinois Urbana-Champaign의 화학과에 조교수로 합류했습니다.

UC Berkeley의 C. Judson King 석좌 교수이자 Lawrence Berkeley National Laboratory의 교수 과학자인 Long은 "이 작업은 선택적 가스 포획을 위한 새로운 협력 메커니즘을 밝히기 때문에 근본적으로 중요합니다."라고 말했습니다. "우리는 메커니즘이 결합 금속에 강한 친화력을 가진 산업적으로 중요한 다른 분자로 확장될 것이라고 낙관합니다."

'친환경' Haber-Bosch 프로세스

스나이더에 따르면, 많은 연구자들이 20세기 초부터 시작된 Haber-Bosch 공정을 보다 지속 가능하게 만드는 방법을 연구하고 있습니다. 여기에는 태양 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 하나의 주요 반응물인 수소를 생성하는 것이 포함됩니다. 오늘날 수소는 일반적으로 주로 메탄인 천연 가스에서 지배적인 온실 가스인 이산화탄소를 방출하는 반응에서 얻습니다.

다른 친환경 변형에는 낮은 온도와 압력에서 작동하여 수소와 질소(일반적으로 공기에서 포획됨)를 반응시켜 암모니아(NH 3 )를 형성하는 새로운 촉매가 포함됩니다 .

그러나 반응 후 혼합물에서 암모니아를 제거하는 것은 어려운 일이었습니다. 제올라이트와 같은 다른 다공성 물질은 다량의 암모니아를 흡수하거나 방출할 수 없습니다. 그리고 사람들이 시도한 다른 MOF는 부식성이 강한 암모니아가 있을 때 종종 분해되었습니다.

Snyder의 혁신은 단단하고 다공성이 높은 MOF 구조를 만들기 위해 시클로헥산디카르복실레이트라는 유기 분자로 연결된 구리 원자를 사용하는 비교적 새로운 다양한 MOF를 시도하는 것이었습니다. 놀랍게도 암모니아는 이 MOF를 파괴하지 않고 매우 높은 밀도의 저장된 암모니아를 갖는 구리 및 암모니아 함유 폴리머 가닥으로 변환했습니다. 더욱이, 폴리머 가닥은 상대적으로 낮은 온도에서 결합된 암모니아를 쉽게 포기하여 그 과정에서 재료를 초기의 단단한 다공성 MOF 구조로 복원합니다.

"이 프레임워크를 암모니아에 노출시키면 구조가 완전히 바뀝니다."라고 그는 말했습니다. "그것은 다공성의 3차원 물질로 시작하여 암모니아에 노출되면 실제로 스스로 풀리고 1차원 폴리머라고 부르는 것을 형성합니다. 끈 묶음처럼 생각하십시오. 이 정말 특이한 흡착 메커니즘은 엄청난 양의 암모니아를 섭취할 수 있습니다."

그 반대의 과정에서 그는 "암모니아를 제거하면 폴리머가 어떻게든 다시 3차원 구조로 짜여질 것입니다. 이것이 이 재료의 가장 매력적인 특징 중 하나라고 생각합니다."라고 덧붙였습니다.

Snyder는 MOF가 광범위한 압력에서 암모니아를 흡수 및 방출하도록 조정될 수 있음을 발견했으며, 이는 지속 가능한 반응물로부터 가장 효율적으로 암모니아를 생성하는 데 가장 적합한 반응 조건에 더 잘 적응할 수 있도록 합니다.

"우리 MOF의 이점은 MOF를 합리적으로 조정할 수 있다는 사실을 발견했다는 것입니다. 즉, 특정 프로세스에서 특정 반응 조건 집합에 갇히게 되면 MOF의 성능 매개변수를 수정할 수 있습니다. 사용하는 온도와 이 흡착제에 사용하는 압력 -- 특정 응용 분야와 밀접하게 일치시키기 위해."

Snyder는 암모니아 포집이 더 친환경적인 암모니아를 만들기 위한 수정된 공정의 일부일 뿐이며 아직 진행 중인 작업이라고 강조했습니다.

Snyder는 "보다 적당한 온도와 압력에서 작동하도록 설계된 수정된 Haber Bosch 공정을 위한 촉매 및 반응기 설계에 대해 생각하는 똑똑한 사람들이 많이 있습니다."라고 말했습니다. "우리가 들어오는 곳은 암모니아를 만든 후 이러한 새로운 반응 조건에서 암모니아를 분리하고 포착하는 데 사용하려는 재료입니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/