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도쿄공업대학(東京工業大學) 원소전략연구센터 연구그룹이 전이금속 질화물과 니켈을 조합한 각종 촉매의 암모니아 합성 활성을 검토하고 전이금속 질화물의 질소공공(nitrogen vacancy) 형성 에너지가 촉매활성의 지표가 되는 것을 규명함. 루테늄이나 철을 촉매로 하는 암모니아합성 반응은 금속 표면에서 질소를 분리하는 과정이 전체의 반응속도를 지배하고 있기 때문에, 금속 표면의 질소흡착 에너지가 촉매 활성의 지표가 되어 왔음. 따라서 기존 연구의 대부분이 온화한 조건에서의 합성에 있어 최적의 질소 착 에너지를 갖는 루테늄을 촉매로 사용하여 왔음. 연구진은 니켈로 수소분자를 활성화하고 담체 질화물 상의 질소 공공으로 질소분자를 활성화하는 촉매에서는 기존 촉매와 다르게 질소 공공의 형성 에너지의 크기, 즉 질소 공공의 형성 용이성이 전체의 반응속도를 지배하고 있음을 규명함. 특히 질소 공공 형성 에너지가 최소가 되는 질화세륨(CeN)과 니켈의 조합이 가장 높은 암모니아 합성 활성을 나타내며 촉매로서 최적인 것을 확인함. 본 연구 성과는 질소 공공 형성 에너지라는 촉매 활성의 새로운 지표를 제시함으로써 루테늄을 사용하지 않는 촉매 개발의 길을 개척한 것이라 할 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Journal of the American Chemical Society’ (“Contribution of nitrogen vacancies to ammonia synthesis over metal nitride catalysts”) 지에 게재됨.