Investigation of Efficient Nitric Oxide Reduction via Electronic structure Regulation by Alloying Effects

Abstract

The ammonia synthesis by electrochemical nitric oxide reduction reaction (NORR) was developed to reduce the disadvantages of the Haber-Bosch process which is performed at high temperature and pressure. However, NORR has limitations in increasing ammonia selectivity due to side reactions, limited mass transfer, and high overvoltage requirement. In this study, we aimed to achieve high selectivity by supporting Ru-Cu alloy nanorods (RuCu@NCNR). The optimized catalyst was Ru5Cu95@NCNR, which had 29 μmol cm–2 h– 1 at 93% at -0.2 V vs RHE. In addition, the results of long-term experiments were obtained and the possibility of operation in Zn-NO batteries was confirmed. In this study, high ammonia selectivity was achieved in the NORR by controlling the Ru content to induce structural changes in the RuCu alloy catalyst, which regulated NO adsorption and facilitated efficient protonation. Also, In Previous research findings, we synthesized alloy catalysts with multi-nano structures to simultaneously enhance both yield and selectivity by improving mass transfer. Using Ag and Cu, we developed porous structured catalysts with PS (polystyrene) and nanowires, rather than conventional PAN-based rods, to further investigate enhanced catalytic activity. The results demonstrated a Faradaic efficiency of 87% and an ammonia yield rate of 125.8 μmol cm–2 h–1, while the 24 h durability test achieved an average ammonia Faradaic efficiency of 70%. Therefore, through these two studies, the effects of structural changes induced by alloying were confirmed, and this research will contribute to the development of catalysts for next-generation green energy sources.

Keywords: Ammonia, Nitric oxide electroreduction reaction (NORR), alloy catalyst, electrocatalyst|본 연구는 암모니아를 기존의 합성 방법에서의 단점을 보완하기 위해 전기화학적 환원방법을 통하여 더욱 친환경적이고 낮은 전위에서 높은 선택도의 암모니아 합성에 관한 것이다. 암모니아(NH₃)는 비료, 화학 합성, 수소 저장 매체 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 화합물이다. 현재 암모니아 생산은 주로 하버-보쉬(Haber-Bosch) 공정을 통해 이루어지며, 높은 온도와 압력, 그리고 막대한 에너지를 필요로 한다. 따라서 친환경적이고 에너지 효율적인 대체 공정 개발이 중요한 연구 과제로 부각되고 있다. 전기화학적 질소산화물 환원반응 (Electrochemical Nitric Oxide Reduction Reaction, NORR)은 산화질소(NO)를 전기화학적으로 환원하여 암모니아를 합성하는 방법으로, 비교적 온화한 조건에서 반응이 가능하며 온실가스 저감과 친환경적인 공정 구현이 가능하다는 점에서 주목받고 있다. 특히, 적절한 촉매 설계를 통해 높은 선택성과 수율을 달성할 가능성이 있어 지속 가능한 암모니아 생산 기술로서의 가능성을 검토할 필요가 있다. 본 연구의 목표는 NORR을 이용하여 높은 선택성과 효율성을 갖는 암모니아 합성 공정을 개발하는 것이다. 이를 위해 다음과 같은 세부 목표를 설정한다. 고효율 전기촉매 개발: NO 환원 반응에 최적화된 전기촉매를 설계·합성하여 암모니아 선택도를 향상시킨다. 특히, 이종 금속 간의 합금화를 통해 전자 구조를 정밀하게 조절하고, 격자 변형(lattice distortion)과 금속 간 상호작용을 유도함으로써 NO 흡착 및 활성화 특성을 최적화한다. 이러한 합금 효과(alloying effect)를 통해 반응의 활성점 노출과 전하 이동 경로를 개선하여 NORR 활성을 극대화한다. 또한 기존의 1D 구조의 지지체보다 물질전달을 극대화 하기위해 1D 구조의 지지체에 나노채널과 나노와이어를 함께 합성하여 시너지효과를 낸다. 반응 메커니즘 규명: 촉매 표면의 구조적·전자적 특성을 다각도로 분석하여 NO의 환원 경로와 생성물 선택성에 대한 메커니즘을 규명한다. 특히, 합금화에 따른 d-band 중심 이동, 전자 밀도 분포 변화, 금속 간 전하 이동 등의 전자구조 조절 효과가 반응 경로 제어에 어떻게 기여하는지를 심층적으로 분석한다. 실제 적용 가능성 검토: 개발된 고활성 합금 전기촉매 시스템을 Zn–NO 배터리 플랫폼과 막전극 접합체를 융합하여, 높은 암모니아 수율과 우수한 전력 변환 효율을 동시에 달성하는 차세대 에너지 전환 기술로의 확장 가능성을 검토한다. 이를 통해 합금 기반 전기화학 시스템의 산업적 응용성을 제시하고, 지속가능한 친환경 암모니아 생산 공정의 새로운 방향성을 제안한다.

따라서 이 연구를 통해 친환경적이며 에너지 효율적인 암모니아 합성 기술을 개발하고, 지속 가능한 화학 산업으로의 전환을 촉진하는 데 기여하고자 한다 핵심어: 전기촉매, 전기화학적 환원, 암모니아 합성, 전이금속 촉매