KR102186440B1 - Electrochemical Ammonia Synthesis Method Using Recycling Process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 암모니아 합성에 관한 것으로, 암모니아 생산 가스 재순환을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법에 관한 것이다. 본 발명의 암모니아 합성 방법은 암모니아 생산 가스 재순환에 따른 촉매적 전환 및 질소화학종의 추가 전기화학적 전환에 의해 최종 암모니아 합성 수율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to ammonia synthesis, and to an electrochemical ammonia synthesis method using ammonia production gas recycling. The ammonia synthesis method of the present invention can improve the final ammonia synthesis yield by catalytic conversion according to recycling of ammonia production gas and additional electrochemical conversion of nitrogen species.

Description

재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법{Electrochemical Ammonia Synthesis Method Using Recycling Process}Electrochemical Ammonia Synthesis Method Using Recycling Process}

본 발명은 암모니아 합성에 관한 것으로, 암모니아 생산 가스 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to ammonia synthesis, and to an electrochemical ammonia synthesis method using an ammonia production gas recycling process.

암모니아는 화학식이 NH3인 수소와 질소화합물로 상온에서 자극적인 냄새가 나는 기체상태로 존재한다. 대기 중에 소량이 포함되어 있으며, 천연수에도 미량 함유되어 있고, 토양 중에도 세균의 질소 유기물을 분해하는 과정에서 생성되어 존재할 수 있다.Ammonia is a hydrogen and nitrogen compound of the formula NH 3 and exists in a gaseous state with an irritating odor at room temperature. It is contained in a small amount in the atmosphere, it is contained in a small amount in natural water, and may exist in the soil as it is created in the process of decomposing nitrogenous organic matter of bacteria.

암모니아는 각종 화학공업의 원료, 암모니아수의 제조, 그리고 이온성 물질에 대한 용매로 사용된다. 또한 최근 석유 자원 고갈 대비 및 기후 변화에 대응하기 위한 온실감축 목표 달성을 위하여 신재생에너지의 사용 빈도를 높여가고 있다. 신재생에너지는 지역적 편재성과 단속성의 문제점이 있어, 저장 및 이송의 수단이 필수적이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 에너지 캐리어(enegry carrier)로 암모니아와 수소가 주목받고 있다. 수소는 저장 및 이송에 한계가 있으나, 암모니아는 상온 8.5 기압에서 액체 상태이기 때문에 수소보다 저장 및 이송이 용이하다.Ammonia is used as a raw material for various chemical industries, the production of ammonia water, and as a solvent for ionic substances. In addition, the frequency of use of new and renewable energy is increasing in order to prepare for the depletion of petroleum resources and to achieve the greenhouse reduction target to cope with climate change. Renewable energy has local ubiquity and intermittent problems, so a means of storage and transport is essential. Ammonia and hydrogen are attracting attention as energy carriers for solving this problem. Hydrogen has limitations in storage and transport, but ammonia is more easily stored and transported than hydrogen because it is in a liquid state at a room temperature of 8.5 atm.

암모니아를 생산하는 가장 일반적인 방법은 수소와 질소로부터 합성하는 하버-보쉬 공정으로 철 또는 루테늄 촉매의 존재 하에 하기 화학식 1과 같이 질소분자 1개와 수소분자 3개가 결합하여 암모니아 분자 2개를 만들며 100kJ의 에너지를 발생시키는 발열과정이다. 그러나 이는 대규모 산업 공정이지만 암모니아 수율이 10-20% 정도로 낮고, 추가 에너지 및 수소를 필요로 하는 단점이 있다.The most common method of producing ammonia is the Haber-Bosch process, which is synthesized from hydrogen and nitrogen. In the presence of an iron or ruthenium catalyst, one nitrogen molecule and three hydrogen molecules combine to form two ammonia molecules as shown in the following formula (1), and energy of 100 kJ. It is an exothermic process that generates However, although this is a large-scale industrial process, the ammonia yield is as low as 10-20%, and it has the disadvantage of requiring additional energy and hydrogen.

화학식 1Formula 1

N2 + 3H2 -> 2NH3 + 100kJN 2 + 3H 2 -> 2NH 3 + 100kJ

하버-보쉬 공정의 한계를 극복하기 위해 이온전도성 산화물 전해질을 이용한 전기화학적 암모니아 합성법이 제안되었으며, 물과 질소를 원료로 사용하여 전해질을 이용한 전기화학적 암모니아 합성법이 연구가 활발히 진행되고 있다(Marnellos et al). 전기화학적 암모니아 합성법 중 수계 전해질을 기반으로 한 전해셀은 다음의 화학식 (2)와 같은 일련의 과정을 거치는데, 산화극에서 물이 분해되어 수소이온과 전자로 나뉘는 반응(2-1)과 수소이온과 전자가 질소분자를 환원시켜 암모니아를 생성하는 반응(2-2)을 포함한다. 이러한 암모니아 전기화학적 합성법의 최종 생산물은 암모니아와 산소뿐이므로 탄소배출이 전혀 없는 장점이 있다.In order to overcome the limitations of the Haber-Bosch process, an electrochemical ammonia synthesis method using an ion conductive oxide electrolyte has been proposed, and an electrochemical ammonia synthesis method using an electrolyte using water and nitrogen as raw materials is actively being studied (Marnellos et al. ). Among the electrochemical ammonia synthesis method, an electrolytic cell based on an aqueous electrolyte undergoes a series of processes as shown in the following formula (2), where water is decomposed at the oxidation electrode and divided into hydrogen ions and electrons (2-1) and hydrogen. It includes a reaction (2-2) in which ions and electrons reduce nitrogen molecules to produce ammonia. Since the final products of this ammonia electrochemical synthesis method are only ammonia and oxygen, there is no carbon emission at all.

화학식 2Formula 2

산화극 반응: 3H2O→ 6H++3/2O2+6e- (2-1)Oxide electrode reaction: 3H 2 O → 6H + + 3 / 2O 2 + 6e - (2-1)

환원극 반응: N2+6H++6e-→ 2NH3 (2-2)Reduction electrode reaction: N 2 + 6H + + 6e - → 2NH 3 (2-2)

상기 전기화학적 암모니아 합성 반응에서 주요 제한 반응은 환원극 상 반응인 질소 분자를 암모니아로 환원시키는 단계이며, 이는 질소 분자의 강력한 삼중결합에서 기인한다. 수계 기반 전해질을 사용할 경우 환원극 반응이 질소 환원반응 대신 수소발생반응이 일어나는 경우가 많다. 실제로, 수전해 기반 시스템 사용 시 전류 효율이 1% 미만으로 알려져 있다(R. Lan et al.) 또한 상압 저온 양이온 전도막 기반 전기화학적 암모니아 합성 기술도 전기화학적 전환율인 패러데이 효율이 60%를 넘기기 어려우며, 합성률 또한 통상 1Nl·m-2·hr-1미만으로 알려져있다.The main limiting reaction in the electrochemical ammonia synthesis reaction is the step of reducing nitrogen molecules to ammonia, which is a reaction on the reduction electrode, which is due to the strong triple bond of nitrogen molecules. When a water-based electrolyte is used, the reduction electrode reaction often causes a hydrogen generation reaction instead of a nitrogen reduction reaction. In fact, it is known that the current efficiency is less than 1% when using a water electrolysis-based system (R. Lan et al.) In addition, the electrochemical ammonia synthesis technology based on a low-temperature cation conductive membrane at atmospheric pressure is difficult to exceed 60%, which is an electrochemical conversion rate. , The synthesis rate is also known to be less than 1Nl·m -2 ·hr -1 .

미국 등록특허 제7811442호 및 유럽 등록특허 제972855호는 암모니아 합성장치에 관한 것으로 프로톤 전도성 고체 산화물을 전해질로 이용하고 외부 전류를 인가하여 암모니아를 합성하는 암모니아 합성 장치를 개시한다. 그러나 상기 특허들은 고체 산화물 전해질의 사용으로, 고온의 작동 조건이 필요하며 이는 암모니아가 수소 및 질소 기체로 분해될 수 있는 온도이므로 높은 수율을 얻기 어려운 단점이 있다.US Patent No. 7811442 and European Patent No. 972855 disclose an ammonia synthesis apparatus using a proton conductive solid oxide as an electrolyte and applying an external current to synthesize ammonia. However, the above patents use a solid oxide electrolyte, which requires a high-temperature operating condition, which is a temperature at which ammonia can be decomposed into hydrogen and nitrogen gas, so it is difficult to obtain a high yield.

따라서, 보다 수율이 높고 제조 단가가 저렴한 에너지 친화적 암모니아 합성방법이 요구된다.Therefore, there is a need for an energy-friendly ammonia synthesis method with higher yield and lower manufacturing cost.

미국 등록특허 제 7811442호US Patent No. 7811442 유럽 등록특허 제972855호European Patent No. 972855

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 높은 암모니아 합성 수율을 얻을 수 있는 암모니아 생산 가스 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법을 제공하고자 한다.The present invention has been devised to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an electrochemical ammonia synthesis method using an ammonia production gas recycling process capable of obtaining a high ammonia synthesis yield.

본 발명자들은 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법으로 암모니아를 합성하면 생산 수율 및 전류 효율이 개선됨을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention have found that when ammonia is synthesized by the electrochemical ammonia synthesis method using a recycling process, the production yield and current efficiency are improved, and thus the present invention has been completed.

본 발명은 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법으로, 상기 방법은 산화전극을 포함하는 산화극부에서 전자 및 수소이온을 생성하는 단계; 상기 수소이온이 산화극부 및 환원극부를 구획하는 양이온 전도성막을 통과하는 단계; 상기 양이온 전도성막을 통과한 수소이온이 환원전극 및 질소를 포함하는 환원극부에 도달하여 암모니아 생산 가스를 합성하는 단계; 및 상기 합성된 암모니아 생산 가스를 상기 환원극부로 재순환시키는 재순환 펌프로 공급하여 암모니아 생산 가스를 상기 환원극부에 재공급하는 재순환 암모니아 합성단계를 포함하고, 상기 암모니아 생산 가스는 암모니아(NH3), 수소(H2), 질소(N2) 및 질소화학종(N2Hx)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention is a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycling process, the method comprising: generating electrons and hydrogen ions in an anode portion including an anode; Passing the hydrogen ions through a cation conductive film that partitions an oxidation electrode portion and a reduction electrode portion; Synthesizing ammonia production gas by hydrogen ions passing through the cationic conductive film reaching a cathode and a cathode including nitrogen; And a recycling ammonia synthesis step of supplying the synthesized ammonia-producing gas to a recirculation pump for recirculating the ammonia-producing gas to the reduction electrode to re-supply the ammonia-producing gas to the reduction electrode, wherein the ammonia-producing gas is ammonia (NH 3 ), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ) And it provides an electrochemical ammonia synthesis method using a recycling process comprising at least one selected from the group consisting of nitrogen species (N 2 H x ).

본 발명은 또한, 상기 양이온 전도성막은 고분자 전해질인, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycling process, wherein the cationic conductive membrane is a polymer electrolyte.

본 발명은 또한, 상기 산화전극은 Pt/C 전극이며, 상기 환원전극은 금 나노입자가 분산된 카본나노튜브 전극인, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycling process, wherein the anode is a Pt/C electrode, and the cathode is a carbon nanotube electrode in which gold nanoparticles are dispersed.

본 발명은 또한, 상기 질소는 환원극부에 1bar로 포함되는, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycle process, wherein the nitrogen is included in the reduction electrode at 1 bar.

본 발명은 또한, 상기 산화극부는 산화극액을 포함하는, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycling process, wherein the oxide electrode portion includes an oxidized anolyte.

본 발명은 또한, 상기 상기 산화극액은 수소이온 공여체를 포함하고, 상기 수소이온 공여체는 물, 수소기체, 황화수소, 메탄 또는 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.In the present invention, the anolyte contains a hydrogen ion donor, and the hydrogen ion donor is at least one selected from the group consisting of water, hydrogen gas, hydrogen sulfide, methane, or alcohol, an electrochemical ammonia synthesis method using a recycling process Provides.

본 발명은 또한, 상기 재순환 암모니아 합성단계는 3 내지 15시간 동안 수행되는, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycle process, wherein the recycled ammonia synthesis step is performed for 3 to 15 hours.

본 발명은 또한, 상기 환원극부는 질소 보충부를 더 포함하는, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycling process, further comprising a nitrogen replenishment part of the reduction electrode part.

본 발명은 또한, 상기 산화극부는 산소회수부를 더 포함하는, 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 제공한다.The present invention also provides a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycle process, further comprising an oxygen recovery part in the oxide electrode part.

본 발명의 암모니아 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법은 암모니아 생산 가스 재순환에 따른 촉매적 전환 및 질소화학종의 추가 전기화학적 전환에 의해 최종 암모니아 합성 수율을 향상시킬 수 있다.The electrochemical ammonia synthesis method using the ammonia recycling process of the present invention can improve the final ammonia synthesis yield by catalytic conversion according to recycling of ammonia production gas and additional electrochemical conversion of nitrogen species.

도 1은 본 발명의 한 구현예에 따라 암모니아 생산 가스 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따라 암모니아 생산 가스 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법에 사용되는 전기화학적 시스템의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따라 암모니아 생산 가스 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성실험 개념도이다.
도 4은 기존의 가스 비순환 전기화학적 암모니아 합성실험 개념도이다.
도 5는 본 발명의 한 구현예에 따라 재순환 시스템 및 비순환 시스템의 전기화학적 암모니아 합성 시간에 따른 합성량 변화 그래프이다.
도 6는 본 발명의 한 구현예에 따라 재순환 시스템 및 비순환 시스템의 전기화학적 암모니아의 전극 면적에 따른 합성률 비교 그래프이다.1 is a schematic diagram of a method for synthesizing electrochemical ammonia using an ammonia production gas recycling process according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of an electrochemical system used in an electrochemical ammonia synthesis method using an ammonia production gas recycling process according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram of an electrochemical ammonia synthesis experiment using an ammonia production gas recycling process according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram of a conventional gas non-circulating electrochemical ammonia synthesis experiment .
5 is a graph showing a change in the amount of synthesis of electrochemical ammonia in a recycle system and a non-circulation system according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a comparison graph of the synthesis rate of electrochemical ammonia according to the electrode area of the recirculation system and the non-circulation system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Prior to the detailed description of the present invention, terms or words used in the present specification and claims to be described below should not be construed as being limited to their conventional or dictionary meanings. Accordingly, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, and thus various alternatives that can be substituted for them at the time of application It should be understood that there may be equivalents and variations.

여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 암모니아 생산 가스 재순환을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Here, in all drawings for explaining the embodiment of the present invention, those having the same function are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted. Hereinafter, an electrochemical ammonia synthesis method using ammonia production gas recycling according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

물의 전기 분해시 생성되는 수소이온과 질소가 반응하여 암모니아가 생성되는 (N2+6H++6e-→2NH3) 이론적 전기화학전위는 수소 환원 전위 (standard hydrogen electrode potential, SHE) 대비 0.057V 로 수소 환원 전위인 0 V와 매우 유사하다. 따라서 수소이온을 다량으로 생성할 수 있는 액체 전해질 기반의 전기화학적 암모니아 합성법은 에너지 효율면에서 우수하다. 또한 상온 및 상압에서 전기분해 를 수행하기 때문에 에너지를 절감할 수 있다. 본 발명은 전기화학적 암모니아 합성방법에 관한 것으로, 재순환과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 개시한다.That ammonia is produced by the reaction of hydrogen and nitrogen ions which are generated when the electrolysis of water (N 2 + 6H + + 6e - → 2NH 3) theoretical electrochemical potential is a reduction potential of 0.057V hydrogen (hydrogen standard electrode potential, SHE) compared It is very similar to the hydrogen reduction potential of 0 V. Therefore, a liquid electrolyte-based electrochemical ammonia synthesis method capable of generating a large amount of hydrogen ions is excellent in terms of energy efficiency. In addition, since electrolysis is performed at room temperature and pressure, energy can be saved. The present invention relates to a method for synthesizing electrochemical ammonia, and discloses a method for synthesizing electrochemical ammonia using a recycling process.

상기 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법은 산화전극을 포함하는 산화극부에서 전자 및 수소이온을 생성하는 단계; 상기 수소이온이 산화극부 및 환원극부를 구획하는 양이온 전도성막을 통과하는 단계; 상기 양이온 전도성막을 통과한 수소이온이 환원전극 및 질소를 포함하는 환원극부에 도달하여 암모니아 생산 가스를 합성하는 단계; 상기 합성된 암모니아 생산 가스를 상기 환원극부로 재순환시키는 재순환 펌프로 공급하여 암모니아 생산 가스를 환원극부에 재공급하는 재순환 암모니아 생산 가스 합성단계를 포함한다.The electrochemical ammonia synthesis method using the recycling process includes the steps of generating electrons and hydrogen ions at an anode portion including an anode; Passing the hydrogen ions through a cation conductive film that partitions an oxidation electrode portion and a reduction electrode portion; Synthesizing ammonia production gas by hydrogen ions passing through the cationic conductive film reaching a cathode and a cathode including nitrogen; And a recirculating ammonia-producing gas synthesis step of supplying the synthesized ammonia-producing gas to a recirculation pump for recirculating the ammonia-producing gas to the reduction electrode and resupplying the ammonia-producing gas to the reduction electrode.

도 1은 본 발명의 암모니아 생산 가스 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법을 나타내는 모식도이다. 상기 합성방법은 산화극부(10) 및 환원극부(20)가 양이온 전도성막(30)에 의해 구획되는 전기화학셀에서 수행될 수 있다. 상기 산화극부(10)는 산화극액 및 산화전극을 포함하고 상기 환원극부(20)는 환원전극을 포함하며, 상기 산화전극과 환원전극은 전기적으로 연결된다. 질소는 환원극부(20)로 공급되며 공급된 질소는 환원전극에서 수소이온 및 전자에 의해 환원되어 암모니아로 합성될 수 있다. 상기 전기화학셀에서 암모니아 합성이 수행되고 환원극부에서 발생하는 생산 가스를 재순환하여 환원극부로 다시 공급하는 재순환 과정을 이용하여 보다 높은 수율의 암모니아 합성을 수행할 수 있다.1 is a schematic diagram showing an electrochemical ammonia synthesis method using the ammonia production gas recycling process of the present invention. The synthesis method may be performed in an electrochemical cell in which the oxide electrode portion 10 and the reduction electrode portion 20 are partitioned by a cation conductive film 30. The anode portion 10 includes an anode solution and an anode, and the cathode portion 20 includes a cathode, and the anode and the cathode are electrically connected. Nitrogen is supplied to the reduction electrode part 20, and the supplied nitrogen is reduced by hydrogen ions and electrons at the reduction electrode to be synthesized into ammonia. Ammonia synthesis is performed in the electrochemical cell, and a higher yield of ammonia synthesis may be performed using a recycling process in which the product gas generated in the reduction electrode is recycled and supplied back to the reduction electrode.

도 2는 본 발명의 암모니아 합성가스 재순환을 이용한 구체적인 전기화학적 합성 시스템을 나타낸다. 전기 화학적 셀의 산화극부(10)는 산화극액과 양이온 전도성막(분리막)과 접하여 위치하는 산화전극(101)을 포함하며, 상기 산화전극 표면에서 물이 분해되고 발생하는 산소를 회수하는 산소 회수부(11)를 포함할 수 있다. 산화극액은 바람직하게 물을 사용할 수 있으며, 소진되는 물을 공급하기 위해 산화극부는 물 공급부(12)를 구비할 수 있다. 암모니아 합성 수득량을 높이기 위해 환원극부(20)는 질소 보충부(21)를 포함하여 생산 가스의 양이 줄어들면 질소를 더욱 공급할 수 있다.Figure 2 shows a specific electrochemical synthesis system using ammonia synthesis gas recycling of the present invention. The anode part 10 of the electrochemical cell includes an anode 101 positioned in contact with an anode solution and a cationic conductive film (separator), and an oxygen recovery part for recovering oxygen generated by decomposition of water on the surface of the anode (11) may be included. Water may be preferably used as the oxidized anolyte, and the oxidized electrode may be provided with a water supply unit 12 to supply exhausted water. In order to increase the ammonia synthesis yield, the reduction electrode part 20 may include a nitrogen supplement part 21 to further supply nitrogen when the amount of production gas is reduced.

상기 산화극부(10)는 수소이온이 생성되는 구획이며 산화극액에 포함된 수소이온 공여체가 산화전극에서 전기분해되어 수소이온을 제공한다. 한 구현예에서 상기 수소이온의 공여체는 물, 수소, 황화수소, 메탄 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 한 종 이상이고, 바람직하게 물이다. 또한 상기 산화극액은 이온전달 물질로 황산, 질산, 염산, 염화리튬 및 과염소산리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 한 종 이상을 포함하는 수용액이다. 본 발명의 한 구현에에서 상기 산화전극은 다공성 금속이며, 상기 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금, 산화물 또는 질화물을 사용할 수 있으며, 바람직하게 Pt/C 전극이다.The anode part 10 is a compartment in which hydrogen ions are generated, and a hydrogen ion donor contained in the anode solution is electrolyzed at the anode to provide hydrogen ions. In one embodiment, the hydrogen ion donor is at least one selected from the group consisting of water, hydrogen, hydrogen sulfide, methane, and alcohol, and is preferably water. In addition, the oxidized anolyte is an aqueous solution containing one or more selected from the group consisting of sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, lithium chloride, and lithium perchlorate as ion transport materials. In one embodiment of the present invention, the anode is a porous metal, and the metal is Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd , Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, and one or more alloys, oxides or nitrides selected from the group consisting of Au may be used, preferably a Pt/C electrode.

상기 양이온 전도성막(30)은 산화극부 및 환원극부를 분리하는 분리막의 역할을 할 수 있으며, 산화전극에서 발생한 수소 이온의 이동을 가능하게 한다. 다공질 재료로 구성되며, 그 공공율(空孔率)은 10 ~ 50%인 것이 바람직하다. 양이온 전도성막의 공공율이 50%를 초과하는 경우에는 산화극부로부터 환원극부로 산화극액의 이동이 생겨 전해 효율이 저하될 수 있고, 그 공공율이 10% 미만인 경우에는 전류의 통전에 어려움이 생기고, 수소 이온의 이동율이 저하되기 때문이다. 양이온 전도성막은 고체 고분자 전해질로서 그 두께가 50 ~ 200㎛이고 음이온(anions)은 그 내부를 따라 이동이 불가능한 반면, 양이온수소이온은 이동 가능해야 한다. 상기 양성자 전도성막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달그룹인 설포닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체인 것이 바람직하며 한 구현예에서 나피온(Nafion TM)이다. 상기 산화극부의 산화전극에서 수소기체가 산화되어 생성된 수소이온은 양이온 전도성막을 통과하여 환원극부로 이동한다. 환원극부의 환원전극에서 수소이온 및 전자가 질소를 환원하여 암모니아로 합성된다.The cation conductive film 30 may serve as a separator separating the anode portion and the cathode portion, and enables the movement of hydrogen ions generated from the anode. It is composed of a porous material, and the porosity is preferably 10 to 50%. If the porosity of the cation conductive film exceeds 50%, the electrolytic efficiency may decrease due to the movement of the oxidized anolyte from the oxidation electrode part to the reduction electrode part. If the porosity is less than 10%, it is difficult to conduct current. This is because the transfer rate of hydrogen ions decreases. The cationic conductive membrane is a solid polymer electrolyte and has a thickness of 50 to 200 μm, and anions cannot move along the inside, whereas cationic hydrogen ions must be able to move. The proton conductive membrane is an ion transport group such as sulfonic, carboxylic, and phosphoric (sulfonic), carboxylic and phosphoric, so that cations can selectively move to a polymer made of a hydrocarbon material or a fluorocarbon material. It is preferably a polymeric structure having phosphoric)-based acidic groups, and in one embodiment is Nafion™. Hydrogen ions generated by oxidation of hydrogen gas at the anode of the anode portion pass through the cation conductive film and move to the cathode portion. Hydrogen ions and electrons are synthesized into ammonia by reducing nitrogen at the cathode of the cathode.

상기 환원극부(20)는 양이온 전도성막에 접하며 위치하는 환원전극(201)을 포함하며 양이온 전도성막(30)을 통해 공급된 수소이온이 환원전극(201)에서 질소와 반응하여 암모니아가 합성되는 위치이다. 상기 환원극부 내에는 질소가 충진되며 한 구현예에서 상기 질소는 환원극부에 1bar로 포함된다. 상기 환원극부는 암모니아 외에도 수소, 질소, 질소화학종 등 생산 가스가 존재할 수 있다. 본 발명의 암모니아 생산 가스는 암모니아 합성과정 중 발생하는 가스를 일컬으며, 암모니아(NH3), 수소(H2), 질소(N2) 및 질소화학종(N2Hx) 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 암모니아 합성방법은 상기 암모니아 생산 가스를 재순환하여 특히 암모니아 외 미반응 가스들을 암모니아 합성반응에 다시 참여시키는 것을 반복하는 재순환 암모니아 합성단계를 포함한다. 상기 재순환 암모니아 합성은 환원극부에서 발생하는 암모니아 생산 가스를 재순환 펌프(22)로 공급하고, 상기 재순환 펌프에서 다시 환원극부로 재공급하는 재순환 과정을 거치며, 재공급된 가스 중 암모니아 외 가스는 반응물로 작용하여 추가적인 전기화학적 전환으로 암모니아를 합성할 수 있다. 암모니아 생산 가스가 재순환 펌프와 환원극부를 순환하면서 암모니아 농도 측정부(23)에 의해 암모니아 농도가 측정되고 미리 정한 양 이상으로 암모니아가 합성되면 암모니아 분리부(24)로 공급되어 암모니아를 분리 회수할 수 있다. 한 구현예에서 상기 재순환 암모니아 합성단계는 3 내지 15시간 동안 수행된다. 3시간 이하로 합성하게 되면 충분한 암모니아를 수득할 수 없고, 15시간 이상 합성할 경우 암모니아 생산 가스 중 대부분의 가스가 암모니아로 전환되어 더 이상 암모니아의 합성반응이 진행되지 않을 수 있다. 본 발명의 암모니아 생산 가스 재순환을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법은 전기화학적 합성반응 동안 지속적으로 질소 기체 공급할 필요가 없으며, 종래의 질소 공급 암모니아 합성방법보다 신속하고 높은 암모니아 합성수율을 나타낼 수 있다. 또한 본 발명의 암모니아 생산 가스 재순환은 최조 1회 질소 공급으로 다량의 암모니아를 합성할 수 있으며, 수득량을 높이기 위해 환원극부는 질소 보충부를 더 포함하여 생산 가스의 양이 줄어들면 질소를 공급할 수 있다.The cathode part 20 includes a cathode 201 located in contact with the cation conductive membrane, and a position where hydrogen ions supplied through the cationic conductive membrane 30 react with nitrogen at the cathode 201 to synthesize ammonia. to be. Nitrogen is filled in the reduction electrode portion, and in one embodiment, the nitrogen is included in the reduction electrode portion at 1 bar. In addition to ammonia, production gases such as hydrogen, nitrogen, and nitrogen species may exist in the reduction electrode portion. The ammonia production gas of the present invention refers to a gas generated during the ammonia synthesis process, and may include ammonia (NH 3 ), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ) and nitrogen species (N 2 H x ). have. The ammonia synthesis method of the present invention includes a recycle ammonia synthesis step in which the ammonia production gas is recycled, and in particular, unreacted gases other than ammonia are again involved in the ammonia synthesis reaction. In the recycled ammonia synthesis, ammonia-producing gas generated in the reduction electrode portion is supplied to the recycle pump 22, and the recycle pump undergoes a recirculation process of resupplying it to the reduction electrode portion, and gases other than ammonia among the resupplied gases are used as reactants. Action to synthesize ammonia with additional electrochemical conversion. As the ammonia production gas circulates between the recirculation pump and the reduction electrode, the ammonia concentration is measured by the ammonia concentration measuring unit 23, and when ammonia is synthesized in a predetermined amount or more, it is supplied to the ammonia separation unit 24 to separate and recover ammonia. have. In one embodiment, the recycled ammonia synthesis step is performed for 3 to 15 hours. If synthesized for less than 3 hours, sufficient ammonia cannot be obtained, and if synthesized for 15 hours or longer, most of the gases in the ammonia-producing gas are converted to ammonia, and the synthesis reaction of ammonia may no longer proceed. The electrochemical ammonia synthesis method using ammonia production gas recycling of the present invention does not require continuous supply of nitrogen gas during the electrochemical synthesis reaction, and may exhibit a faster and higher ammonia synthesis yield than the conventional nitrogen supply ammonia synthesis method. In addition, the recirculation of the ammonia production gas of the present invention can synthesize a large amount of ammonia by supplying nitrogen at the earliest one time, and to increase the yield, the reduction electrode may further include a nitrogen supplement to supply nitrogen when the amount of production gas is reduced. .

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.Although the exemplary embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present application defined in the following claims are also included in the scope of the present application. It belongs to.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, are used in the same sense as those of ordinary skill in the art generally understand in the related field of the present invention. The contents of all publications referred to herein by reference are incorporated into the present invention.

실시예. 재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성Example. Synthesis of electrochemical ammonia using a recycling process

본 발명의 암모니아 생산 가스 재순환을 이용한 전기화학적 암모니아 합성을 위해 도 3와 같이 장치를 구성하여 암모니아 합성을 수행하였다. 전체 환원극부의 부피를 500ml로 고정하고 환원극부 가스 재순환 펌프 및 암모니아 농도 측정기를 연결하였다. 산화전극은 Pt/C를 사용하였으며, 환원전극은 나노급입자가 균일하게 분산된 카본나노튜브 전극 분말을 나피온 아이노머 분산매 및 에탄올 일정량에 혼합 및 초음파 처리하여 균일 혼합액을 만들고 탄소섬유로 이뤄진 가스확산층에 drop casting 방법을 통해 전극을 제조하여 사용하였다. 양이온 전도성막(분리막)은 나피온 117을 사용하였으며, 양이온 전도성막의 양면에 hot pressing을 통해 산화전극-전해질-환원전극 접합체를 제조하여 전해셀을 구성하였다. 실험 시작 전 게이지 압으로 1bar 질소기체를 환원극부에 채우고 산화극부는 0.01 M 묽은 황산을 사용하였다. 일정 전압인 2V를 인가하며 3 내지 14시간 동안 암모니아 생산 가스 재순환 실험을 수행하였고, 환원극부의 물은 주기적으로 보충하였으며, 시간에 따른 암모니아 누적 합성량을 기체크로마토그래피를 이용하여 측정하였다. 또한 비교예로 도 4와 같이 질소공급부에서 지속적으로 질소를 공급하는 비순환 암모니아 전기화학셀을 구성하여 시간에 따른 암모니아 누적합성량을 기체크로마토그래피를 이용하여 측정하였다.Ammonia synthesis was performed by configuring an apparatus as shown in FIG. 3 for electrochemical ammonia synthesis using ammonia production gas recycling of the present invention. The total volume of the reduction electrode was fixed at 500 ml, and a gas recirculation pump of the reduction electrode and an ammonia concentration meter were connected. Pt/C was used as the anode, and the carbon nanotube electrode powder in which the nanoparticles were uniformly dispersed was mixed with a certain amount of Nafion inomer dispersion medium and ethanol, and ultrasonically treated to make a homogeneous mixture and a gas composed of carbon fibers. An electrode was manufactured and used in the diffusion layer through a drop casting method. Nafion 117 was used as the cationic conductive film (separator), and an anode-electrolyte-reduction electrode assembly was manufactured by hot pressing on both sides of the cationic conductive film to construct an electrolytic cell. Before the start of the experiment, 1 bar of nitrogen gas was filled in the reducing electrode with a gauge pressure, and 0.01 M diluted sulfuric acid was used for the oxidation electrode. Ammonia production gas recirculation experiment was performed for 3 to 14 hours while applying a constant voltage of 2V, water at the reduction electrode was periodically replenished, and the accumulated ammonia synthesis amount over time was measured using gas chromatography. In addition, as a comparative example, a non-circulating ammonia electrochemical cell that continuously supplies nitrogen from the nitrogen supply unit was configured as shown in FIG. 4 to measure the cumulative ammonia synthesis amount over time using gas chromatography.

그 결과를 도 5 및 도 6에 나타냈다. 도 5를 참조하면 총 14시간 동안 측정한 재순환 및 비순환 전기화학적 암모니아 합성의 누적 암모니아 합성량 비교 그래프이다. 누적 합성량 그래프에서 재순환 실험이 비순환 실험에서 보다 각 시간별 누적되는 합성량이 더 높은 경향이 나타났다.The results are shown in FIGS. 5 and 6. 5 is a graph showing a comparison graph of the cumulative ammonia synthesis amount of recycled and non-circulating electrochemical ammonia synthesis measured for a total of 14 hours. In the cumulative synthesis amount graph, the recirculation experiment tends to have a higher accumulated synthesis amount for each time than the non-circulation experiment.

도 6은 환원극부에 생산 가스 일정 시간동안 동일 인가전압하에서 12시간 동안 암모니아 합성 실험을 수행하고 시간과 전극 면적에 따른 암모니아 합성률 변화를 주기적으로 관찰 후 시간에 따른 암모니아 합성률을 계산한 그래프이다. 전기화학적 암모니아 생산 가스 순환에 따른 촉매적 전환 및 질소화합물 (N2Hx)의 추가 전기화학적 전환에 의한 암모니아 합성률이 향상된 것으로 나타났으며, 암모니아 생산 속도가 증가한 것으로 나타났다. 이와 같이 본 발명의 암모니아 생산 가스 재순환을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법은 암모니아 합성가스를 재순환함으로써 전기화학적으로 생성 가능한 다양한 질소화합물 (N2Hx)의 추가적인 전기화학적 전환 및 미반응 수소와 질소의 상압에서의 추가적인 합성 등이 수행되어 암모니아 합성효율을 높일 수 있는 것으로 판단된다.FIG. 6 is a graph in which ammonia synthesis experiment was performed for 12 hours under the same applied voltage for a certain period of time in the reduction electrode part, and ammonia synthesis rate changed according to time and electrode area was periodically observed, and then ammonia synthesis rate was calculated over time. . The ammonia synthesis rate was improved by the catalytic conversion of the electrochemical ammonia production gas circulation and the additional electrochemical conversion of the nitrogen compound (N 2 Hx), and the ammonia production rate was increased. As described above, the electrochemical ammonia synthesis method using ammonia production gas recycling according to the present invention provides additional electrochemical conversion of various nitrogen compounds (N 2 Hx) that can be electrochemically generated by recycling ammonia synthesis gas and at atmospheric pressure of unreacted hydrogen and nitrogen. It is believed that the ammonia synthesis efficiency can be improved by performing additional synthesis of

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.Although the exemplary embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present application defined in the following claims are also included in the scope of the present application. It belongs to.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, are used in the same sense as those of ordinary skill in the art generally understand in the related field of the present invention. The contents of all publications referred to herein by reference are incorporated into the present invention.

10. 산화극부
11. 산소 회수부
12. 물 공급부
20. 환원극부
21. 질소 보충부
22. 재순환 펌프
23. 암모니아 농도 측정부
24. 암모니아 분리부
30. 양이온전도성막
101. 산화전극
201. 환원전극10. Oxidation electrode
11. Oxygen recovery unit
12. Water supply
20. Reduction electrode
21. Nitrogen supplement
22. Recirculation pump
23. Ammonia concentration measurement unit
24. Ammonia separator
30. Cationic conductive film
101. Anode
201. Cathode

Claims (9)

재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법으로,
상기 방법은 산화전극을 포함하는 산화극부에서 전자 및 수소이온을 생성하는 단계;
상기 수소이온이 산화극부 및 환원극부를 구획하는 양이온 전도성막을 통과하는 단계;
상기 양이온 전도성막을 통과한 수소이온이 환원전극 및 질소를 포함하는 환원극부에 도달하여 암모니아 생산 가스를 합성하는 단계; 및
상기 합성된 암모니아 생산 가스를 상기 환원극부로 재순환시키는 재순환 펌프로 공급하여 암모니아 생산 가스를 상기 환원극부에 재공급하는 재순환 암모니아 합성단계를 포함하고,
상기 암모니아 생산 가스는 암모니아(NH3), 수소(H2), 질소(N2) 및 질소화학종으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고,
상기 산화전극은 Pt/C 전극이며,
상기 환원전극은 금 나노입자가 분산된 카본나노튜브 전극이고,
상기 재순환 암모니아 합성단계는 암모니아 생산 가스가 재순환 펌프와 환원극부를 순환하면서 암모니아 농도 측정부에 의해 암모니아 농도가 측정되고, 미리 정한 양 이상으로 암모니아가 합성되면 암모니아 분리부로 공급되어 암모니아를 분리 회수하는,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
An electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process,
The method includes the steps of generating electrons and hydrogen ions in an anode portion including an anode;
Passing the hydrogen ions through a cation conductive film that partitions an oxidation electrode portion and a reduction electrode portion;
Synthesizing ammonia production gas by hydrogen ions passing through the cationic conductive film reaching a cathode and a cathode including nitrogen; And
A recirculating ammonia synthesis step of supplying the synthesized ammonia-producing gas to a recirculation pump for recirculating the ammonia-producing gas to the reduction electrode and resupplying the ammonia-producing gas to the reduction electrode,
The ammonia production gas is ammonia (NH 3 ), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ) And one or more selected from the group consisting of nitrogen species,
The anode is a Pt/C electrode,
The cathode is a carbon nanotube electrode in which gold nanoparticles are dispersed,
In the recycling ammonia synthesis step, the ammonia concentration is measured by the ammonia concentration measuring unit while the ammonia-producing gas circulates the recycling pump and the reduction electrode, and when ammonia is synthesized in a predetermined amount or more, it is supplied to the ammonia separation unit to separate and recover ammonia.
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 제 1 항에 있어서,
상기 양이온 전도성막은 고분자 전해질인,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
The method of claim 1,
The cationic conductive membrane is a polymer electrolyte,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 질소는 환원극부에 1bar로 포함되는,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
The method of claim 1,
The nitrogen is contained in 1 bar in the reduction electrode,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 제 1 항에 있어서,
상기 산화극부는 산화극액을 포함하는,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
The method of claim 1,
The oxide electrode portion contains an oxide anolyte,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 제 5 항에 있어서,
상기 산화극액은 수소이온 공여체를 포함하고,
상기 수소이온 공여체는 물, 수소기체, 황화수소, 메탄 또는 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
The method of claim 5,
The oxidized anolyte contains a hydrogen ion donor,
The hydrogen ion donor is at least one selected from the group consisting of water, hydrogen gas, hydrogen sulfide, methane, or alcohol,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 제 1 항에 있어서,
상기 재순환 암모니아 합성단계는 3 내지 15시간 동안 수행되는,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
The method of claim 1,
The recycled ammonia synthesis step is performed for 3 to 15 hours,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 제 1 항에 있어서,
상기 환원극부는 질소 보충부를 더 포함하는,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.
The method of claim 1,
The reduction electrode portion further comprises a nitrogen supplement,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
 제 1 항에 있어서,
상기 산화극부는 산소회수부를 더 포함하는,
재순환 과정을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법.

The method of claim 1,
The oxide electrode portion further comprises an oxygen recovery portion,
Electrochemical ammonia synthesis method using a recycle process.
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