Yoo group
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Density functional theory 계산을 통한 루테늄의 표면 변형에 따른 암모니아 합성 반응 효율 연구
영문 : Effect of strain on Ru surfaces for ammonia synthesis using Density Functional Theory calculations
과제 팀명
Yoo group
지도교수
유종석 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 이** (팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 민** (팀원)
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 박** (팀원)
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 신** (팀원)
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 이** (팀원)
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 이** (팀원)
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ DFT(Density Functional Theory) 계산을 통해 원자 단위에서 루테늄 표면 변형에 따른 암모니아 합성의 활성 파악.
◇ 루테늄 표면에 인장 변형을 걸어 변형에 따른 경향성을 파악하고 암모니아 합성에 어떤 영향을 미치는지 다방면에서 분석.
◇ 인장 변형으로 인한 영향들이 발생하는 이유를 표면의 전자 구조면에서 d-band를 분석해 근본적인 이유 탐색
◇ MKM(Microkinetic Modeling)을 통해 표면 변형에 따른 암모니아 수득률의 변화를 계산하고 이유 분석
개발 과제의 배경
◇ 암모니아는 비료 생산에 중요한 역할을 담당해 인구 성장에 큰 기여를 했고 현재에도 암모니아의 거의 80%가 비료 산업에 사용돼 전 세계 식량 보급에도 막대한 영향을 미침. [Fig 1] 또한, 최근에는 높은 수소 함량, 에너지 밀도, 간편한 저장 및 운송으로 carbon free energy carrier로 주목받음.
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◇ 산업적으로 암모니아를 대량 생산하는 것은 주로 하버보슈 공정에 의해 주도됨. 하지만 하버보슈 공정에서 수소 기체 생산을 위해 세계 천연 가스의 3~5%를 소비하고, 고온ᐧ고압 조건을 유지하기 위해 세계 연간 에너지 소비량의 약 1.4%를 차지해 재생 불가능한 자원 소비와 온실 가스 생산이 발생하게 된다는 부작용이 존재함. [Fig 2]
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◇ 최근 정부에서 이산화탄소 배출 규제가 엄격하게 강화되면서 탄소 중립을 주장하고 있음. 암모니아 합성으로 인해 발생하는 온실가스가 전 세계 온실가스 배출량의 1%를 차지한다는 점과 탄소 방출 없이 에너지 운반체로 암모니아가 사용되므로 탄소 중립을 위해 암모니아 합성 촉매의 효율적 개발이 중요함.
◇ 암모니아 합성의 대표적인 촉매인 철과 루테늄 중에서 활성이 더 좋은 루테늄에 촉매 특성에 영향을 미친다고 알려진 인장 변형을 걸어 표면 인장 변형의 효과와 원인을 파악하고자 함.
◇ 계산 화학의 방식으로 인장 변형의 영향과 실험적으로 알아내기 어려운 인장 변형의 원인을 촉매의 원자 단위의 정확한 분석을 통해 알아낼 것임.
◇ 이를 추후 인장 변형 효과가 필요한 다른 촉매에 적용해 촉매의 활성과 선택성을 조절함으로써 암모니아뿐만 아니라 다른 반응에도 연관지어 효율적 촉매 개발 연구를 위한 기반을 만들고자 함. 또한 효율적 촉매 개발로 인해 온실가스 및 대기 오염 물질 감축 등과 같이 여러 가지 환경 이슈를 직, 간접적으로 해결하는데 도움이 될 것임.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 촉매의 대표적 표면인 terrace와 step 표면에서의 인장 변형이 촉매의 활성에 어떤 영향을 미치는지 DFT를 이용해 분석.
◇ 선행 논문들에서는 단순 인장 변형의 결과에 대해 나열했고 kinetic 분석이 부족한 경향을 보여 이를 보완하면서 연구 진행.
◇ 인장 변형의 영향을 흡착 에너지, 활성 site, 활성화 에너지, TOF(Turnover Frequency) 면에서 다양하게 분석해 촉매의 열역학적, kinetic 특성을 파악.
◇ 인장 변형의 원인을 촉매의 전자 구조에서 분석하기 위해, d-band center와 d-band width를 계산하여 d orbital로 인해 생성된 d band의 변화를 관찰.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Haber-Bosch 공정에서의 Ru촉매와 Fe촉매의 성능 비교
Haber-Bosch 공정에서의 Fe촉매와 Fe-Ru촉매의 성능을 비교한 한 논문에 따르면, 다양한 온도, 압력 조건에서의 NH3 수율은 Ru가 포함된 촉매가 높게 나타났다.
Haber-Bosch 공정에서의 촉매별 성능측정을 위하여 TOF를 비교하면 Ru이 Fe보다 10배 이상 높은 것을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로, Ru촉매가 NH3합성에서 Fe보다 더 높은 촉매 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
하지만, Ru촉매는 1kg당 7만 달러가 넘는 고가의 금속 촉매이므로, 현재 대부분의 Haber-Bosch 공정에서 Fe기반의 촉매가 사용되고 있으며, Ru기반 촉매는 최근 상업화가 진행되고 있다.
◇ Effect of Strain on the Reactivity of Metal Surfaces
‘Effect of Strain on the Reactivity of Metal Surfaces (Physical Review Letters, 1998)’에 따르면 표면 인장변형에 의해 금속 촉매(Ru)의 활성이 증가한다는 결과가 있다. 이는 인장변형에 따른 d-band center의 이동에 의해 영향을 받을 것으로 분석된다. 이에 따라 루테늄 표면 인장변형을 통해 암모니아 합성의 활성 변화를 관찰하고 그 원인을 표면의 전자 구조면에서 d-band를 분석하여 찾고자 한다.
◇ Electrochemical ammonia synthesis(NRR, Nitrogen reduction reaction)
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최근 Haber-Bosch 공정의 환경적 부작용으로 인해 CO2 방출이 거의 없는 전기화학적 암모니아 합성이 주목받고 있다. 하지만 energy 소모 및 cost 면에서 Haber-Bosch 공정(~61~66%)이 전기화학적 공정(~54%)보다 더 좋은 효율을 갖고 있기 때문에 현재 대부분의 암모니아 합성에는 Haber-Bosch 공정이 사용되고 있다. [표 1]
추가적으로 요구되는 전기화학적 암모니아 합성의 효율성은 많은 연구에도 불구하고 아직 Haber-Bosch의 비용적인 이점을 따라잡지 못하고 있다. [Fig 4] 따라서 현재 암모니아 합성에 대부분을 차지하고 있는 Haber-Bosch 공정 촉매 개선이 필요하다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ Core shell catalyst
- US 특허
- 출원 번호: US8168561B2
- 출원 날짜: 2012년 5월 11일
- 출원인: Anil V. Virkar
- 요약
Core-shell 촉매의 core와 shell은 다른 물질로 이루어져 있어 각각 다른 lattice parameter와 crystal structure를 가진다. 이 때 core와 shell 사이의 interface에서 core의 영향으로 인해 shell 구성 금속이 단독으로 있을 때와 비교해 더 compressive하거나 tensile하게 된다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
