나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 허폐이(合肥) 물질과학 연구원 산하 "고체 물리 연구소" 소속 "환경 및 에너지 나노 소재 센터" 연구팀은 효율적인 붕소도핑 질소화 카본나노시트 광촉매를 개발하고 동 광촉매를 이용하여 고체 질소로 암모니아를 합성하는데 성공.

연구팀은 이번 연구를 수행하는 과정에서 B-N-C 조합을 개발하여 안정적인 질소화 카본 광촉매 표면에 노출된 활성 질소 원자를 안정시킨 동시에 질소 기체 분자 흡착과 활성화를 추진하고, 최종적으로 강화된 광촉매를 이용하여 고체 질소로 암모니아를 합성하는데 성공함.

암모니아는 세계적으로 생산 규모가 제일 큰 화학공업 제품 중의 하나로 글로벌 경제에서 중요한 위치를 차지하고 있으며, 지금까지 제일 성숙된 인공 고체 질소 합성 암모니아(NH3) 공법은 하버 · 보슈법(Haber-Bosch법)(고온, 고압 조건 하에서 철 베이스 촉매로 고 순수도의 질소 기체와 수소 기체를 암모니아 기체로 전환시키는 방법)인데 동 방법은 작업 조건(200-300atm, 350-550℃)이 매우 까다로울 뿐만 아니라 에너지 소모가 엄청난 단점을 보유하고 있음.

높은 에너지 이용 효율을 가지고, 낮은 이산화탄소 배출 특징을 만족시키는 동시에 직접 공기 속의 N2를 이용하여 상온 상압 하에서 NH3를 합성해내는 방법을 개발하는 것은 매우 필요지만 어려운 과제임.

연구팀은 붕소(B) 원자 도핑을 하여 B 원자 도핑의 g-C3N4 나노 시트 광촉매(BCN)를 개발하고 동 촉매를 고체 질소로 암모니아를 합성하는 반응에 성공적으로 응용하였으며, 이론 계산 방법(분자 동력학 시뮬레이션)과 결합하여 관련 결과에 대한 이론 예측을 실행하고 관련 응용 전망 분석을 실행하였음.

연구팀은 다양한 실험과 분자 동력학 시뮬레이션을 통해 B 도핑으로 구축한 B-N-C 조합은 안정적으로 C3N4 표면에 노출된 활성 N 원자에 정착되는 동시에 나노 레벨의 p-n 매듭 형성은 g-C3N4 광 생성 캐리어 복합을 효과적으로 억제할 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 N2 화학 흡착 측정 테스트 및 분자 동력 시뮬레이션을 통해 B 원자 위치 점의 도입은 N2 분자 흡착과 활성화 된 활성 위치 점으로 되기 때문에 광촉매를 통해 합성 암모니아 반응 진행에 유리할 뿐만 아니라 제조된 BCN 광촉매의 암모니아 생성 효율성은 313.9μmol g–1 h–1 수준에 도달하여 순수 g-C3N4 나노 시트(CN) 광촉매 효율의 10배 수준에 달한다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 비(非) 금속 원자 도핑 전략을 통해 반도체의 에너지 밴드 구조 및 광전기 화학 특성을 조정 제어하고, 광촉매를 이용하여 고체 질소로 합성한 암모니아 활성을 뚜렷이 향상시켰으며, 상온 상압 하에서 암모니아 합성에 응용할 수 있는 새로운 촉매 개발을 위해 혁신적인 아이디어와 중요한 참고자료를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Small’ ("Formation of BNC Coordination to Stabilize the Exposed Active Nitrogen Atoms in g‐C3N4 for Dramatically Enhanced Photocatalytic Ammonia Synthesis Performance")지에 게재됨.