KR102315001B1 - 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템 및 이를 이용한 질소산화물의 전환방법 - Google Patents

질소산화물의 전기화학적 전환 시스템 및 이를 이용한 질소산화물의 전환방법 Download PDF

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Abstract

질소산화물과 금속 착화합물간의 착물이 형성되면서, 질소산화물 분리셀에서 형성되는 산화된 금속 착화합물을 환원시켜 질소산화물과 착물을 형성할 수 있는 상태로 재생하는 질소산화물 흡착셀; 상기 질소산화물 흡착셀에서 형성된 상기 착물이 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 질소산화물 분리셀; 및 질소산화물 분리셀에서 분리된 상기 질소산화물의 환원이 일어나는 질소산화물 전환셀;을 포함하는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 저농도의 질소산화물을 선택적으로 흡착 및 분리하여, 고순도의 질소산화물을 얻을 수 있으며, 이를 통하여 질소산화물을 원하는 농도로 공급하여 전환시킬 수 있어, 원하는 질소화합물을 효율적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Description

질소산화물의 전기화학적 전환 시스템 및 이를 이용한 질소산화물의 전환방법{Electrochemical Conversion System of NOx and NOx Conversion Method}
본 발명은 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템 및 이를 이용한 질소산화물의 전환방법에 관한 것이다.
일산화질소(Nitric Oxide, NO)는 일반적으로 연소과정에서 질소가 산화되어 발생되는 질소산화물(NOX)의 한 종류로써, 그 자체로도 호흡기관련 질환을 유발하며, 2차적으로 대기 중에 노출되어 미세먼지(Particulate Matter), 광화학스모그, 산성비 및 오존층파괴와 같은 여러 환경문제들을 야기하는 대표적인 대기오염물질이다. 특히, 중국과 인도와 같이 경제적으로 급성장 하고 있는 나라들의 경우, 과도한 산업활동으로 인해 대량의 질소산화물이 배출되어 미세먼지를 유발하여 주변국들에까지 직접적으로 지대한 영향을 미치고 있다. 2차 미세먼지는 다양한 원인물질을 매개로 발생할 수 있지만, 산업활동에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물과 황산화물이 차지하는 비중이 65% 이상으로 가장 많은 것으로 보고되었다. 높은 수용성과 화학적 반응성에 기인하여 황산화물의 처리는 Limestone 공정과 같이 고형물로 침전시켜 높은 처리효율로 쉽게 처리할 수 있는 반면, 질소산화물의 경우, 일산화질소는 수용성이 거의 없어 수계에서의 처리가 불가능하고 고온반응 및 비싼 귀금속촉매와 환원제의 사용이 필수적으로 요구되는 실정이다.
상용화되어 있는 질소산화물의 제거기술은 선택적환원촉매장치(Selective catalytic reduction, SCR), 비선택적환원촉매장치(Non-selective catalytic reduction, NSCR), 흡장형촉매장치(Lean NOX trap, LNT), 배기가스재순환장치(Exhaust Gas Recirculation, EGR)가 있으며 현재 개발중인 기술로는 전자빔장치(Electron beam), 코로나 방전법(Corona discharge), 생물학적 처리공정(BioDeNOX) 그리고 고체산화물전기분해장치 등이 있다. 이 중 상업적으로 탈질효율(DeNOX efficiency) 측면에서 가장 널리 쓰이는 기술은 선택적환원촉매장치이나 공간의 확보 측면에서 발전소를 포함하는 에너지산업, 석유화학, 제철업 등의 제조산업과 같은 대규모 배출 점오염원에서 주로 사용되고 고온의 운전조건, 사용되는 촉매와 환원제 비용의 부담이 있다. 최근에는 개량을 통하여 촉매의 가격 및 반응기의 크기가 개선되어 디젤을 사용하는 차량 및 선박과 같은 이동오염원에도 일부 적용이 되고 있으나, 물리적인 공간의 부족으로 인해 기술적용에 어려움이 있다.
한편, 질소산화물 중 약 95%를 차지하는 일산화질소(NO, Nitric Oxide)는 전자를 주고받아 산화 또는 환원이 가능한, 즉 전기화학적인 활성이 있으며 이는 외부 전기에너지를 공급하여 환경에 무해한 질소화합물로 전환이 가능함을 시사한다. 질소산화물이 산화되는 경우에는, 아질산이온(NO2 -), 질산이온(NO3 -)으로 전환되며 환원의 경우, 전환 가능한 산물로는 아산화질소(N2O), 질소(N2), 수산화아민(NH2OH), 히드라진(N2H4) 그리고 암모니아(NH3)가 있는데, 전기화학반응 촉매, 전해질 및 전기에너지 투입량 등의 변수에 따른 최적화를 통하여 일산화질소를 특정 질소화합물, 예를 들면 질산과 암모니아와 같은 유용한 화합물로 선택적인 전환이 가능하며 이는 고부가가치 물질의 생산이 가능한 측면에서 단순히 질소로 처리하는 기존 탈질기술과 비교하여 경제적인 이점이 있다고 말할 수 있다.
한편, 암모니아의 경우, 생산량의 대부분이 질산암모늄 제조에 쓰이고 있지만 최근에는 암모니아의 안전성 및 저장성으로 인해 차세대 수송연료로 각광 받는 수소의 운반체(Carrier)로 활용하기 위한 다양한 연구들이 많은 투자를 받아 진행되고 있으며 상용화에 이를 시, 수요가 기하급수적으로 늘어날 것으로 전망된다.
현재 상용화되어 있는 암모니아 생산 공정인 하버공정(Haber process)의 경우, 질소의 삼중결합을 끊어내기 위하여 500도 이상의 고온과 15~25 MPa의 고압의 조건에서 운전되며, 전구체로 수소를 공급해야 하기 때문에 에너지 및 비용소모가 큰 단점이 있다. 이를 대체하기 위해 전기화학적으로 질소를 환원(Reduction)시켜 수소이온을 첨가하여 암모니아를 제조하는 전기화학공정에 관한 연구, 유사하게 태양광 에너지를 활용하여 암모니아를 제조하는 연구, 그리고 암모니아를 연료로 직접 활용하는 연료전지에 관한 연구 등이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.
전기화학적인 질소환원을 통한 암모니아와 같은 질소화합물의 생산은 하버공정과 비교하여 상온, 상압에서 운전이 용이하고 대기중의 질소와 순수한 물을 전구체로 사용한다는 측면에서 장점이 있으나 공급되는 전기에너지의 대부분이 질소화합물의 생성이 아닌 부반응, 즉 수소생성반응으로 소모되기 때문에 전환효율이 수계반응을 기준으로 3% 미만으로 매우 낮아 상용화에 어려움이 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1767894호는 질소 순환형 질소산화물 처리 시스템 및 방법에 관한 발명으로 구체적으로는 암모니아 합성 셀(cell)을 이용한 질소순환형 질소산화물 처리 시스템으로, 상기 질소산화물 처리 시스템은 NOx 및 SOx를 포함하는 배기가스를 탈황기로 공급하는 배기가스 공급라인; 상기 탈황기를 거쳐 SOx가 제거된 처리가스를 NOx 스크러버로 공급하는 처리가스 공급라인; 상기 NOX 스크러버에서 흡수제를 이용하여 처리가스의 NOx를 흡수하고 나머지 가스를 배출하는 처리가스 배출라인; 상기 NOx 스크러버에서 NOx를 흡수한 흡수용액을 NOx 및 흡수제 분리장치로 공급하는 NOx 흡수용액 공급라인; 및 상기 NOx 및 흡수제 분리장치에서 분리된 NOx를 암모니아 합성 셀로 공급하되 농축기를 거쳐 공급하는 NOx 공급라인을 포함하고, 상기 암모니아 합성 셀은 산소 이온 전도성막; 및 상기 산소 이온 전도성막의 양면에 코팅되는 두 개의 전극을 포함하고, 상기 전극은 전기적으로 연결되는, 질소 순환형 질소산화물 처리 시스템을 개시하고 있다.
또한 대한민국 공개특허 제10-2017-0021713호는 철-에틸렌디아민사아세트산을 이용한 질소화합물 포집용 전기분해장치에 관한 발명으로, 구체적으로는 다음의 구성을 포함하는 질소화합물 포집용 전기분해장치: (a) 내부에 2가 금속이온과 킬레이팅 에이전트(chelating agent)의 화합물을 포함하는 반응기 몸체; (b) 애노드 및 캐소드; (c) 상기 애노드를 내부에 포함하는, 질소화합물 포집을 위한 포집관; (d) 상기 반응기 몸체에 질소화합물을 함유하는 원료가스를 공급하는 가스 주입구; 및 (e) 상기 반응기 내부에서 포집 완료되어 질소화합물이 제거된 가스를 배출하는 배출구를 개시하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1773969호는 환원반응을 향상시키는 전기화학 반응 셀에 관한 발명으로, 구체적으로는 (a) 고분자 전해질막과; (b)상기 전해질막의 일면에 제1 기체확산층과 제1 촉매층이 순차로 적층된 캐소드 전극(cathode); (c) 상기 전해질막의 타면에 제2 촉매층과 제2 기체확산층이 순차로 적층된 애노드 전극(anode)을 포함하는 막전극접합체; (d) 상기 제1 촉매층에 적층되어 반응기체와 상기 반응기체가 혼합된 캐소드 전해질용액을 별개의 유로를 따라 상기 제1 촉매층에 공급하며, 상기 캐소드 전해질용액이 상기 제1 촉매층과 상기 제1 기체확산층을 투과하고 확산되어 상기 반응기체가 공급되는 유로에 접하는 상기 제1 촉매층에서 상기 반응기체와 만나 3상 계면을 형성하도록 하는 제1 분배판; (e) 상기 제2 기체확산층에 적층되어 애노드 전해질용액을 상기 제2 기체확산층에 공급하는 제2 분배판;을 포함하는 환원반응을 향상시키는 전기화학 반응 셀을 개시하고 있다.
다만, 질소화합물을 효율적으로 얻기 위하여는 배기가스 내 저농도의 일산화질소를 원하는 농도로 조절할 수 있어야 하는 바, 이를 고려한 새로운 형태의 장치가 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1767894호 대한민국 공개특허 제10-2017-0021713호 대한민국 등록특허 제10-1773969호
본 발명의 일 측면에서의 목적은 질소산화물을 흡착 및 분리하여, 이를 적절한 농도로 공급함으로써, 원하는 질소화합물을 효율적으로 얻을 수 있는 전기화학 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에서
질소산화물과 금속 착화합물간의 착물이 형성되면서, 질소산화물 분리셀에서 형성되는 산화된 금속 착화합물을 환원시켜 질소산화물과 착물을 형성할 수 있는 상태로 재생하는 질소산화물 흡착셀;
상기 질소산화물 흡착셀에서 형성된 상기 착물이 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 질소산화물 분리셀; 및
질소산화물 분리셀에서 분리된 상기 질소산화물의 환원이 일어나는 질소산화물 전환셀;
을 포함하는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서
상기 전기화학적 전환 시스템을 이용한 질소산화물의 전환방법으로,
질소산화물을 포함하는 기체를 상기 질소산화물 흡착셀 내로 공급하는 단계;
상기 질소산화물 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 질소산화물과 착물을 형성하는 단계;
상기 착물이 상기 질소산화물 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 단계; 및
상기 분리된 질소산화물이 상기 질소산화물 전환셀 내에서 환원되는 단계;
를 포함하는 질소산화물의 전환방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 일 측면에서
상기 전기화학적 전환 시스템을 이용한 질소화합물의 제조방법으로,
질소산화물을 포함하는 기체를 상기 질소산화물 흡착셀 내로 공급하는 단계;
상기 질소산화물 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 질소산화물과 착물을 형성하는 단계;
상기 착물이 상기 질소산화물 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 단계; 및
상기 분리된 질소산화물을 상기 질소산화물 전환셀로 농도를 조절하며 공급하고, 인가하는 전압을 조절하며, 상기 질소산화물을 환원시켜 질소화합물을 선택적으로 제조하는 단계;
를 포함하는 질소화합물의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 저농도의 질소산화물을 선택적으로 흡착 및 분리하여, 고순도의 질소산화물을 얻을 수 있으며, 이를 통하여 질소산화물을 원하는 농도로 공급하여 전환시킬 수 있어, 원하는 질소화합물을 효율적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템을 모식적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 흡착셀에서의 흡착되는 일산화질소의 양을 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 분리셀에서의 일산화질소의 분리에 따른 전류밀도를 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 분리셀에서 분리된 일산화질소의 양을 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 흡착셀에서의 산화된 금속 착화합물의 재생에 따른 전류밀도를 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 전환셀에서, 일산화질소가 1% 농도로 공급된 경우의 환원 전위에 따른 각 생성물의 패러데이 효율(Faradaic efficiency, FE)를 나타낸 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 전환셀에서, 일산화질소가 5% 농도로 공급된 경우의 환원 전위에 따른 각 생성물의 패러데이 효율(Faradaic efficiency, FE)를 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 전환셀에서, 일산화질소가 20% 농도로 공급된 경우의 환원 전위에 따른 각 생성물의 패러데이 효율(Faradaic efficiency, FE)를 나타낸 그래프이고,
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 전환셀에서, 일산화질소가 100% 농도로 공급된 경우의 환원 전위에 따른 각 생성물의 패러데이 효율(Faradaic efficiency, FE)를 나타낸 그래프이고,
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 전환셀에서, 일산화질소의 농도별로 환원 전위에 따른 아산화질소의 전류밀도를 나타낸 그래프이고,
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따라, 질소산화물 전환셀에서, 일산화질소의 농도별로 환원 전위에 따른 암모니아의 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명의 일 측면에서
질소산화물과 금속 착화합물간의 착물이 형성되면서, 질소산화물 분리셀에서 형성되는 산화된 금속 착화합물을 환원시켜 질소산화물과 착물을 형성할 수 있는 상태로 재생하는 질소산화물 흡착셀(100);
상기 질소산화물 흡착셀에서 형성된 상기 착물이 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 질소산화물 분리셀(200); 및
질소산화물 분리셀에서 분리된 상기 질소산화물의 환원이 일어나는 질소산화물 전환셀(300);
을 포함하는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템(1000)이 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템을 각 구성별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물은 질소산화물 흡착셀(100)을 포함한다.
상기 질소산화물 흡착셀은 질소산화물과 금속 착화합물간의 착물이 형성됨으로써, 질소산화물은 선택적으로 흡착할 수 있다.
일 실시예에서 상기 질소산화물은 일산화질소일 수 있다.
상기 금속 착화합물의 금속은 철, 코발트, 구리, 니켈, 크롬 또는 마그네슘일 수 있다.
상기 금속 착화합물의 착화합물은 에틸렌디아민4아세트산(EDTA), 1,2 시클로헥산디아민4아세트산(CyDTA), 구연산염(Citrate), 1,10-페난트롤린(1,10-phenanthroline), 피리딘(pyridine) 2,3-디멜캅토-1-프로판설포닉에시드(DMPS) 및 니트리로3아세트산2나트륨(NTA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 금속 착화합물은 금속 킬레이트(Metal Chelate) 형태일 수 있다.
상기 질소산화물 흡착셀은 질소산화물이 공급되는 질소산화물 공급부(120)를 포함할 수 있다.
질소산화물은 질소산화물을 포함하는 배기가스 형태로 공급될 수 있다.
질소산화물 흡착셀에서 예를 들어, 금속 킬레이트(MⅡC)를 일산화질소의 선택적인 흡착을 위한 액상흡착제로 사용하는 경우 그 반응식은 아래의 반응식 1과 같다.
MⅡC (aq) + NO (g) -> MⅡC-NO (aq) [반응식 1]
상기와 같은 반응을 통하여, 기체 내의 질소산화물을 선택적으로 흡착할 수 있다.
또한, 상기 질소산화물 흡착셀은 질소산화물 분리셀에서 형성되는 산화된 금속 착화합물을 환원시켜 질소산화물과 착물을 형성할 수 있는 상태로 재생할 수 있다.
이러한 반응은 질소산화물 흡착셀 내의 제1 캐소드 전극(110)에서 일어날 수 있다. 상기 제1 캐소드 전극의 소재는 철, 유리성 탄소(Glassy Carbon, GC), 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 백금, 이들의 산화물 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
산화된 금속 착화합물은 하기 질소산화물 분리셀에서 형성되는 것일 수 있다.
이러한 금속 착화합물의 재생반응을 하기 반응식 2에 나타내었다.
MⅢC (aq) + e- → MⅡC (aq) [반응식 2]
이 때, 상기 반응식 2를 위하여 상기 제1 캐소드 전극에 인가되는 환원전위는 예를 들어, 기준전극으로 Ag/AgCl 전극을 사용하는 경우, -0.2 V vs. Ag/AgCl 내지 -0.6 V vs. Ag/AgCl 일 수 있으며, 보다 상세하게는 -0.3 V vs. Ag/AgCl 내지 -0.5 V vs. Ag/AgCl, 가장 상세하게는 -0.35 V vs. Ag/AgCl 내지 -0.45 V vs. Ag/AgCl 일 수 있다.
상기 인가되는 환원전위가 상기 범위 내인 경우, 다른 경쟁 반응이 억제되어, 상기 반응식 2와 같은 산화된 금속 착화합물의 환원 반응이 효율적으로 일어난다는 점에서 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 질소산화물 분리셀(200)을 포함한다.
상기 질소산화물 분리셀에서 상기 질소산화물 흡착셀에서 형성된 상기 착물이 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리될 수 있다.
상기 착물이 산화되어 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 반응은 상기 질소산화물 분리셀 내의 애노드 전극(210)에서 일어날 수 있다. 상기 애노드 전극의 소재는 철, 유리성 탄소(Glassy Carbon, GC), 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 백금, 이들의 산화물 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
그 구체적인 반응과정은 하기 반응식 3으로 나타낼 수 있다.
MⅡC-NO (aq) → MⅢC (aq) + NO (g) + e- [반응식 3]
이 때, 상기 반응식 3을 위하여 상기 애노드 전극에 인가되는 산화전위는 예를 들어, 기준전극으로 Ag/AgCl 전극을 사용하는 경우, +0.05 V vs. Ag/AgCl 내지 +0.35 V vs. Ag/AgCl 일 수 있으며, 보다 상세하게는 +0.1 V vs. Ag/AgCl 내지 +0.3 V vs. Ag/AgCl, 가장 상세하게는 +0.15 V vs. Ag/AgCl 내지 +0.25 V vs. Ag/AgCl 일 수 있다.
상기 인가되는 산화전위가 상기 범위 내인 경우, 다른 경쟁 반응은 억제되어, 반응식 3과 같은 착물의 산화 반응이 효율적으로 일어난다는 점에서 바람직하다.
상기 반응으로 인하여 분리된 산화된 금속 착화합물(MⅢC)은 다시 상기 질소산화물 흡착셀로 이동하여 환원됨으로써, 질소산화물을 흡착할 수 있는 금속 착화합물(MⅡC)로 재생될 수 있다.
상기 질소산화물 흡착셀 및 질소산화물 분리셀은 질소산화물, 금속 착화합물, 질소산화물 및 금속 착화합물의 착물, 전해질 등을 포함하는 용액을 포함할 수 있다.
상기 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 질소산화물이 흡착된 상기 착물을 상기 질소산화물 흡착셀로부터 질소산화물 분리셀로 이동시키기 위한 착물 이송부(130)를 더 포함할 수 있다.
상기 착물 이송부는 예를 들어 질소산화물 흡착셀 및 질소산화물 분리셀을 연결하는 튜빙일 수 있다. 착물 이송부 중 질소산화물 흡착셀 측에는 펌프를 더 포함할 수 있으며, 상기 펌프를 통하여 질소산화물 흡착셀 내의 착물을 포함하는 용액을 질소산화물 분리셀로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 상기 착물이 산화되어 형성된 산화된 금속 착화합물을 상기 질소산화물 분리셀로부터 질소산화물 흡착셀로 이동시키기 위한 산화된 금속 착화합물 이송부(220)를 더 포함할 수 있다.
상기 산화된 금속 착화합물 이송부는 예를 들어 질소산화물 분리셀 및 질소산화물 흡착셀을 연결하는 튜빙일 수 있다. 산화된 금속 착화합물 이송부 중 질소산화물 분리셀 측에는 펌프를 더 포함할 수 있으며, 상기 펌프를 통하여 질소산화물 분리셀 내의 산화된 금속 착화합물을 포함하는 용액을 질소산화물 흡착셀로 이동시킬 수 있다.
상기 질소산화물 분리셀은 상기 분리한 질소산화물을 질소산화물 전환셀로 이송시키는 질소산화물 이송부(230)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 질소산화물 전환셀(300)을 포함한다.
상기 질소산화물 전환셀은 질소산화물 분리셀에서 분리된 상기 질소산화물의 환원이 일어난다.
상기 질소산화물은 환원되어, 암모니아(NH3), 아산화질소(N2O), 질소(N2) 및 하이드록실아민(NH2OH)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 질소화합물로 전환될 수 있다.
상기 질소산화물의 환원 반응은 질소산화물 전환셀 내의 제2 캐소드 전극(310)에서 일어날 수 있다.
상기 제2 애노드 전극은 기체확산층을 포함하는 기체확산 전극일 수 있다.
그 구체적인 반응과정은 하기 반응식 4 및 5 등으로 나타낼 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니고 다른 형태의 반응 또한 가능하다.
2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O [반응식 4]
NO + 5H+ + 5e- → NH3 + H2O [반응식 5]
이 때, 상기 제2 캐소드 전극에 인가되는 환원전위를 조절함으로써 특정 반응이 우세하게 일어날 수 있으며, 이에 따라 선택적으로 질소산화물을 특정 질소화합물로 전환시킬 수 있다.
상기 질소산화물 전환셀은 상기 제2 캐소드 전극으로 공급되는 질소산화물의 농도를 조절하는 질소산화물 농도 조절 수단(320)을 더 포함할 수 있다.
제2 캐소드 전극으로 공급되는 질소산화물의 농도를 조절하여, 질소산화물의 특정 환원 반응이 우세할 수 있으며, 이에 따라 선택적으로 질소산화물을 특정 질소화합물로 전환시킬 수 있다.
상기 질소산화물 농도 조절 수단은 예를 들어, 캐리어 가스 공급부일 수 있다. 상기 캐리어 가스 공급부에서 캐리어 가스의 유량을 조절함에 따라, 질소산화물의 농도를 조절할 수 있다.
상기 캐리어 가스는 아르곤, 헬륨 및 질소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기체일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템의 일 실시예에서, 상술한 바와 같이 하나의 애노드 전극 및 두 개의 캐소드 전극(제1 캐소드 전극, 제2 캐소드 전극)을 포함할 수 있다.
상기 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템은 상기 질소산화물 흡착셀 및 질소산화물 분리셀 사이에 음이온 교환막을 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 제1 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 음이온 교환막(400)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 질소산화물 분리셀 및 질소산화물 전환셀 사이에 음이온 교환막을 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게는 애노드 전극 및 상기 제2 캐소드 전극 사이에 음이온 교환막을 더 포함할 수 있다.
상기 애노드 전극은 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템의 다른 일 실시예에서, 두 개의 애노드(제1 애노드 전극, 제2 애노드 전극) 전극 및 두 개의 캐소드 전극(제1 캐소드 전극, 제2 캐소드 전극)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 질소산화물 흡착셀은 상기 산화된 착화합물의 환원이 일어나는 제1 캐소드 전극을 포함할 수 있고, 상기 질소산화물 분리셀은 상기 착물의 산화가 일어나는 제1 애노드 전극을 포함할 수 있으며, 상기 질소산화물 전환셀은 질소산화물 분리셀에서 분리된 상기 질소산화물의 환원이 일어나는 제2 캐소드 전극 및 물의 산화가 일어나는 제2 애노드 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 캐소드 전극 및 제1 애노드 전극과 전기적으로 연결되며, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극은 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 제1 애노드 전극, 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극은 앞서 설명한 애노드 전극, 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 동일한 바, 제2 애노드 전극에 대해서만 추가로 설명한다.
제2 애노드 전극은 상술한 바와 같이 질소산화물 전환셀에 포함되며, 제2 캐소드 전극과 연결되어, 제2 애노드 전극에서는 물의 산화가 일어날 수 있다.
이러한 물의 산화반응은 하기 반응식 6과 같이 나타내어질 수 있다.
H2O → 1/2 O2 + 2H+ + 2e- [반응식 6]
이와 같은 형태의 질소산화물 전환셀의 경우, 상기 제1 애노드 전극 및 제1 캐소드 전극 사이에 음이온 교환막이 위치할 수 있으며, 상기 제2 애노드 전극 및 제2 캐소드 전극 사이에 음이온 교환막이 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서
상기 전기화학적 전환 시스템을 이용한 질소산화물의 전환방법으로,
질소산화물을 포함하는 기체를 상기 질소산화물 흡착셀 내로 공급하는 단계;
상기 질소산화물 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 질소산화물과 착물을 형성하는 단계;
상기 착물이 상기 질소산화물 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 단계; 및
상기 분리된 질소산화물이 상기 질소산화물 전환셀 내에서 환원되는 단계;
를 포함하는 질소산화물의 전환방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 질소산화물의 전환방법을 각 단계별로 상세히 설명한다. 상기 질소산화물의 전환방법은 상기 전기화학적 전환 시스템을 이용한 것으로, 전기화학적 전환 시스템의 구체적인 구성은 앞서 설명하였는 바, 중복하여 설명하지는 않는다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 질소산화물의 전환방법은 질소산화물을 포함하는 기체를 상기 질소산화물 흡착셀 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 질소산화물 흡착셀 내에 공급되는 질소산화물을 포함하는 기체는 특정 기체로 제한되지 않으나, 예를 들어 질소산화물을 포함하는 배기가스일 수 있다.
질소산화물을 비교적 낮은 농도로 포함하는 기체를 공급하더라도, 추후 질소산화물 흡착 및 분리 단계에 의하여 높은 순도의 질소산화물을 얻을 수 있다는 점이 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 질소산화물 전환방법의 장점이 될 수 있다.
상기 질소산화물은 일산화질소일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 질소산화물의 전환방법은 상기 질소산화물 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 질소산화물과 착물을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 금속 착화합물의 금속은 철, 코발트, 구리, 니켈, 크롬 또는 마그네슘일 수 있다.
상기 금속 착화합물의 착화합물은 에틸렌디아민4아세트산(EDTA), 1,2 시클로헥산디아민4아세트산(CyDTA), 구연산염(Citrate), 1,10-페난트롤린(1,10-phenanthroline), 피리딘(pyridine) 2,3-디멜캅토-1-프로판설포닉에시드(DMPS) 및 니트리로3아세트산2나트륨(NTA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 금속 착화합물은 질소산화물을 흡착하여 착물을 형성할 수 있다.
상기 단계에서, 예를 들어 일산화질소의 선택적으로 흡착하는 경우, 그 반응식은 아래의 반응식 1과 같다.
MⅡC (aq) + NO (g) -> MⅡC-NO (aq) [반응식 1]
상기와 같은 반응을 통하여, 기체 내의 질소산화물을 선택적으로 흡착할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 질소산화물의 전환방법은 상기 착물이 상기 질소산화물 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 단계를 포함한다.
상기 질소산화물 흡착셀에서 형성된 착물은 질소산화물 분리셀로 이동하며, 질소산화물 분리셀 내 애노드 전극에서 착물이 산화되어, 산화된 금속 착화합물 및 질소산화물로 분리될 수 있다.
그 구체적인 반응과정은 하기 반응식 3으로 나타낼 수 있다.
MⅡC-NO (aq) → MⅢC (aq) + NO (g) + e- [반응식 3]
이 때, 상기 반응식 3을 위하여 상기 애노드 전극에 인가되는 산화전위는 예를 들어, 기준전극으로 Ag/AgCl 전극을 사용하는 경우, +0.05 V vs. Ag/AgCl 내지 +0.35 V vs. Ag/AgCl 일 수 있으며, 보다 상세하게는 +0.1 V vs. Ag/AgCl 내지 +0.3 V vs. Ag/AgCl, 가장 상세하게는 +0.15 V vs. Ag/AgCl 내지 +0.25 V vs. Ag/AgCl 일 수 있다.
상기 인가되는 산화전위가 상기 범위 내인 경우, 다른 경쟁 반응은 억제되어, 반응식 3과 같은 착물의 산화 반응이 효율적으로 일어난다는 점에서 바람직하다.
상기 반응으로 인하여 분리된 산화된 금속 착화합물(MⅢC)은 상기 질소산화물 흡착셀에서 환원되어 질소산화물을 흡착할 수 있는 금속 착화합물로 재생되는 단계를 거칠 수 있다.
구체적으로, 분리된 산화된 금속 착화합물(MⅢC)은 질소산화물 흡착셀로 이동하며, 질소산화물 흡착셀 내 제1 캐소드 전극에서 환원됨으로써, 질소산화물을 흡착할 수 있는 금속 착화합물(MⅡC)로 변환될 수 있다.
이러한 금속 착화합물의 재생반응을 하기 반응식 2에 나타내었다.
MⅢC (aq) + e- → MⅡC (aq) [반응식 2]
이 때, 상기 반응식 2를 위하여 상기 제1 캐소드 전극에 인가되는 환원전위는 예를 들어, 기준전극으로 Ag/AgCl 전극을 사용하는 경우, -0.2 V vs. Ag/AgCl 내지 -0.6 V vs. Ag/AgCl 일 수 있으며, 보다 상세하게는 -0.3 V vs. Ag/AgCl 내지 -0.5 V vs. Ag/AgCl, 가장 상세하게는 -0.35 V vs. Ag/AgCl 내지 -0.45 V vs. Ag/AgCl 일 수 있다.
상기 인가되는 환원전위가 상기 범위 내인 경우, 다른 경쟁 반응이 억제되어, 상기 반응식 2와 같은 산화된 금속 착화합물의 환원 반응이 효율적으로 일어난다는 점에서 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 질소산화물의 전환방법은 상기 분리된 질소산화물이 상기 질소산화물 전환셀 내에서 환원되는 단계를 포함한다.
상기 질소산화물 분리셀에서 분리된 질소산화물이 질소산화물 전환셀에 공급되며, 공급된 질소산화물이 환원되어, 암모니아(NH3), 아산화질소(N2O), 질소(N2) 및 하이드록실아민(NH2OH)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 질소화합물로 전환될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서
상기 전기화학적 전환 시스템을 이용한 질소화합물의 제조방법으로,
질소산화물을 포함하는 기체를 상기 질소산화물 흡착셀 내로 공급하는 단계;
상기 질소산화물 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 질소산화물과 착물을 형성하는 단계;
상기 착물이 상기 질소산화물 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 질소산화물로 분리되는 단계; 및
상기 분리된 질소산화물을 상기 질소산화물 전환셀로 농도를 조절하며 공급하고, 인가하는 전압을 조절하며, 상기 질소산화물을 환원시켜 질소화합물을 선택적으로 제조하는 단계;
를 포함하는 질소화합물의 제조방법이 제공된다.
상기 질소산화물의 전환방법은 상기 전기화학적 전환 시스템을 이용한 것이며, 상기 질소산화물 전환방법과 일부 유사한 바, 앞서 설명한 내용들에 대해서는 중복하여 설명하지는 않는다.
상기 질소화합물의 제조방법은 질소산화물 전환셀에서 질소산화물을 환원시켜 질소화합물을 제조할 때, 인가되는 환원전위 및 공급되는 질소산화물의 농도를 조절함으로써 선택적으로 특정 질소화합물을 제조할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 비교적 저농도의 질소산화물이 포함된 기체를 사용하더라도, 질소산화물을 선택적으로 흡착 및 분리함에 의하여, 고순도의 질소산화물을 얻을 수 있으며, 그 결과 특정 농도로 조절하여 질소산화물을 전환시키기에 용이한 효과가 있다.
예를 들어, 질소산화물의 농도가 높을수록 아산화질소가 높은 선택도로 생성될 수 있으며, 특정 질소산화물 농도에서 암모니아가 높은 선택도로 생성될 수 있다.
또한, 인가한 환원전위에 따라 우세한 환원 반응이 달라지는 바, 이러한 환원 반응에 의해 특정 질소화합물을 제조할 수 있다.
질소산화물 전환셀에서의 질소화합물을 제조한 예를 아래의 반응식 4 및 5에 나타내었다.
2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O [반응식 4]
NO + 5H+ + 5e- → NH3 + H2O [반응식 5]
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실험예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실험예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
<실시예>
도 1에 도시한 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템을 제조하였다.
제1 캐소드 전극을 포함하는 질소산화물 흡착셀, 애노드 전극을 포함하는 질소산화물 분리셀, 제2 캐소드 전극을 포함하는 질소산화물 전환셀로 이루어져 있으며, 제1 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이, 제2 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에는 음이온 교환막이 위치한다. 또한, 상기 애노드 전극은 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 전기적으로 연결되어 있다.
또한, 질소산화물 흡착셀은 질소산화물이 공급되는 질소산화물 공급부를 포함하며, 질소산화물 흡착셀 및 질소산화물 분리셀에서 용액이 순환할 수 있도록 각각을 연결하는 튜빙 및 펌프를 더 포함한다. 여기서 질소산화물은 질소산화물이 500 ppm 내지 10000 ppm으로 포함된 기체를 투입함으로써 공급되었다.
또한, 질소산화물 전환셀은 질소산화물을 제2 캐소드 전극으로 이동시키는 캐리어 가스 공급부를 포함하며, 캐리어 가스로 Ar을 사용하여, 공급되는 질소산화물의 농도를 조절하였다.
제1 캐소드 전극 소재로는 유리성탄소, 애노드 전극 소재로는 백금, 제2 캐소드 전극 소재로는 기체확산탄소천(Gas diffusion carbon cloth)를 사용하였다.
또한, 각 셀은 전해질로 중성의 인산완충용액(pH 7)를 사용하며, 질소산화물 흡착셀과 질소산화물 분리셀에는 Fe(II)(EDTA) 200 mM을 추가로 투입하였고, 질소산화물 전환셀 중 전해질을 포함하지 않는 캐리어 가스 공급부 측으로 질소산화물 분리셀에서 발생한 농축 NO 가스가 주입되었다.
전기화학적 전환 시스템의 진행 과정을 대략적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 질소산화물 흡착셀로 저농도의 일산화질소를 공급하며, 질소산화물 흡착셀 내에 존재하는 FeⅡEDTA가 이를 흡착하여, 다음과 같이 착물을 형성한다.
FeⅡEDTA + NO → FeⅡEDTA-NO
이와 같이 형성된 착물은 튜빙을 통하여 질소산화물 분리셀로 이동하고, 질소산화물 분리셀 내의 애노드 전극에서 다음과 같은 산화 반응이 일어나, FeⅢEDTA 및 일산화질소로 분리된다.
FeⅡEDTA-NO → FeⅢEDTA + NO (g) + e-
여기서 분리된 일산화질소는 질소산화물 전환셀로 이동하며, FeⅢEDTA는 다시 질소산화물 분리셀로 이동하여, 질소산화물 분리셀 내의 제1 캐소드 전극에서 다음과 같이 환원된다.
FeⅢEDTA + e- → FeⅡEDTA
이와 같이 환원되어, FeⅡEDTA로 재생됨으로써 이는 다시 일산화질소를 흡착할 수 있다.
상기 분리된 일산화질소는 질소산화물 전환셀로 이동하며, 이 때 캐리어 가스인 Ar 가스에 의하여, 제2 캐소드 전극에 공급되게 된다. Ar 가스의 유량에 따라 일산화질소의 공급 농도를 조절할 수 있다.
제2 캐소드 전극에서 환원 반응에 따라 다음과 같은 반응이 일어난다.
2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O
NO + 5H+ + 5e- → NH3 + H2O
이와 같은 질소산화물의 다양한 환원 반응은 일산화질소의 농도 및 인가되는 환원 전위에 따라 특정 환원 반응이 우세할 수 있다.
<실험예 1> 질소산화물 흡착셀 내의 흡착반응 분석
먼저, 200 mM 농도의 FeⅡEDTA 1.5 mL에 10000ppm 농도 일산화질소 기체를 질소산화물 흡착셀 내에 5 sccm으로 흘려주며 일산화질소 흡착을 실시하여, 질소산화물의 흡착 정도를 분석하였으며, 이를 도 2에 나타내었다.
도 2에서 알 수 있듯이, 흡착 초기에는 모든 일산화질소가 흡착되어 잔여 일산화질소가 존재하지 않으며, 약 1시간까지는 10000 ppm의 일산화질소에 대해 100% 흡착함을 확인할 수 있으나, 시간이 지남에 따라 모든 FeⅡEDTA가 FeⅡEDTA-NO로 포화되어 흡착되지 않은 일산화질소가 나타나게 된다.
흡수제인 FeⅡEDTA 용량 대비 일산화질소의 흡착 농도는 약 0.082 mmole/mL/hr로 계산된다.
<실험예 2> 질소산화물 분리셀 내의 산화 반응 분석
상기 실험예 1에서의 200 mM 농도의 FeⅡEDTA 1.5 mL에 일산화질소를 흡착시킨 용액을 대상으로, 애노드 전극에 +0.2 V vs. Ag/AgCl의 산화 전위를 가하여, 일산화질소를 탈기하였다.
도 3에서 확인할 수 있는 것과 같이, 초반 FeⅡEDTA-NO의 농도가 높을 때, 높은 전류밀도를 나타내나, 탈기가 진행되면서 전류밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 산화 전위를 가함에 따라, 가스 크로마토그래피를 이용하여, 일산화질소가 검출되는 것을 확인하였으며, 일산화질소의 농도는 전류 감소보다는 덜하지만 시간에 따라 점차적으로 감소함을 도 4를 통하여 확인할 수 있다.
전극 면적 당 일산화질소의 탈기 속도는 0.0492 mmole/cm2/hr로 계산되었다.
<실험예 3> 질소산화물 흡착셀 내의 재생반응 분석
실험예 2에서 약 2시간의 산화 반응을 진행한 후, 산화된 FeⅢEDTA의 FeⅡEDTA로의 재생을 위해 -0.4 V vs. Ag/AgCl의 환원 전위를 제1 캐소드 전극에 가하였다. 이에 대한 일정전위법 수행 결과를 도 4에 나타내었다.
이 때, -0.4 V vs. Ag/AgCl의 환원 전위에서는 일산화질소의 환원반응이나 수소생성 반응이 일어나지 않고, FeⅢEDTA + e- → FeⅡEDTA와 같은 반응만이 일어난다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 시간이 경과함에 따라, FeⅢEDTA가 모두 환원되며, 그 결과 전류 밀도가 감소함을 알 수 있다.
<실험예 4> 질소산화물 전환셀 내에서의 생성되는 질소화합물의 분석
질소산화물 전환셀 내의 제2 캐소드 전극에 공급되는 일산화질소의 농도를 각각 1%, 5%, 20%, 100%로 달리하여, Ag/AgCl 기준전극 대비 -1.0 V 내지 +1.0 V의 전위에 따른 생성물의 비율을 분석하여, 도 6 내지 도 9에 나타내었다.
이로부터 확인할 수 있듯이, 일산화질소의 농도가 높아짐에 따라, 아산화질소에 대한 선택도가 높아지며, 일산화질소의 농도가 1% 및 5%인 경우, 암모니아에 대한 선택도가 높아진다.
또한, 일산화질소 농도 및 인가 전위에 따른 아산화질소 및 암모늄 이온의 전류밀도를 도 10 및 도 11에 나타내었으며, 이로부터 각 생성물의 생산 속도를 알 수 있다.
도 10에 나타낸 것과 같이, 아산화질소는 일산화질소가 높을수록, 환원 전위가 클수록 빠르게 생성됨을 알 수 있다.
또한, 도 11에 나타낸 것과 같이, 암모니아는 5% 및 20%의 일산화질소 농도 조건에서 환원 전위가 클수록 빠르게 생성됨을 알 수 있다.
100 질소산화물 흡착셀
110 제1 캐소드 전극
120 질소산화물 공급부
130 착물 이송부
200 질소산화물 분리셀
210 애노드 전극
220 산화된 금속 착화합물 이송부
230 질소산화물 이송부
300 질소산화물 전환셀
310 제2 캐소드 전극
320 질소산화물 농도 조절 수단
400 음이온 교환막
1000 질소산화물의 전기화학적 전환 시스템

Claims (12)

  1. 일산화질소와 금속 착화합물간의 착물이 형성되면서, 일산화질소 분리셀에서 형성되는 산화된 금속 착화합물을 환원시켜 일산화질소와 착물을 형성할 수 있는 상태로 재생하는 일산화질소 흡착셀;
    상기 일산화질소 흡착셀에서 형성된 상기 착물이 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 일산화질소로 분리되는 일산화질소 분리셀; 및
    일산화질소 분리셀에서 분리된 상기 일산화질소의 환원이 일어나는 일산화질소 전환셀;
    을 포함하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템으로,
    상기 일산화질소 흡착셀은 상기 산화된 착화합물의 환원이 일어나는 제1 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 일산화질소 분리셀은 상기 착물의 산화가 일어나는 애노드 전극을 포함하고,
    상기 일산화질소 전환셀은 일산화질소 분리셀에서 분리된 상기 일산화질소의 환원이 일어나는 제2 캐소드 전극을 포함하며,
    상기 애노드 전극은 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 전기적으로 연결되고,
    상기 제1 캐소드 전극에 인가되는 환원전위는 Ag/AgCl 기준전극 대비 -0.2 V 내지 -0.6 V이며,
    상기 애노드 전극에 인가되는 산화전위는 Ag/AgCl 기준전극 대비 0.05 V 내지 0.35 V인 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  2. 일산화질소와 금속 착화합물간의 착물이 형성되면서, 일산화질소 분리셀에서 형성되는 산화된 금속 착화합물을 환원시켜 일산화질소와 착물을 형성할 수 있는 상태로 재생하는 일산화질소 흡착셀;
    상기 일산화질소 흡착셀에서 형성된 상기 착물이 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 일산화질소로 분리되는 일산화질소 분리셀; 및
    일산화질소 분리셀에서 분리된 상기 일산화질소의 환원이 일어나는 일산화질소 전환셀;
    을 포함하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템으로,
    상기 일산화질소 흡착셀은 상기 산화된 착화합물의 환원이 일어나는 제1 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 일산화질소 분리셀은 상기 착물의 산화가 일어나는 제1 애노드 전극을 포함하고,
    상기 일산화질소 전환셀은 일산화질소 분리셀에서 분리된 상기 일산화질소의 환원이 일어나는 제2 캐소드 전극 및 물의 산화가 일어나는 제2 애노드 전극을 포함하며,
    상기 제1 애노드 전극 및 제1 캐소드 전극; 및
    상기 제2 애노드 전극 및 제2 캐소드 전극;
    은 각각 전기적으로 연결되고,
    상기 제1 캐소드 전극에 인가되는 환원전위는 Ag/AgCl 기준전극 대비 -0.2 V 내지 -0.6 V이며,
    상기 제1 애노드 전극에 인가되는 산화전위는 Ag/AgCl 기준전극 대비 0.05 V 내지 0.35 V인 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 착화합물의 금속은 철, 코발트, 구리, 니켈, 크롬 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
    에틸렌디아민4아세트산(EDTA), 1,2 시클로헥산디아민4아세트산(CyDTA), 구연산염(Citrate), 1,10-페난트롤린(1,10-phenanthroline), 피리딘(pyridine) 2,3-디멜캅토-1-프로판설포닉에시드(DMPS) 및 니트리로3아세트산2나트륨(NTA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 염인 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드 전극 및 애노드 전극의 소재는 철, 유리성 탄소(Glassy Carbon, GC), 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 백금, 이들의 산화물 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
    상기 제2 캐소드 전극은 기체확산 전극인 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기화학적 전환 시스템은
    상기 일산화질소 전환셀에서, 상기 일산화질소는 환원이 일어나 암모니아(NH3), 아산화질소(N2O), 질소(N2) 및 하이드록실아민(NH2OH)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 질소화합물로 전환되는 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 일산화질소 전환셀은
    캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일산화질소 흡착셀 및 일산화질소 분리셀 사이; 및
    상기 일산화질소 분리셀 및 일산화질소 전환셀 사이;
    에 음이온 교환막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화질소의 전기화학적 전환 시스템.
  9. 삭제
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 캐소드 전극 및 제1 애노드 전극 사이; 및
    제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극 사이;
    에 음이온 교환막이 위치하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 전환 시스템.
  11. 제1항의 전기화학적 전환 시스템을 이용한 일산화질소의 전환방법으로,
    일산화질소를 포함하는 기체를 상기 일산화질소 흡착셀 내로 공급하는 단계;
    상기 일산화질소 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 일산화질소와 착물을 형성하는 단계;
    상기 착물이 상기 일산화질소 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 일산화질소로 분리되는 단계; 및
    상기 분리된 일산화질소가 상기 일산화질소 전환셀 내에서 환원되는 단계;
    를 포함하는 일산화질소의 전환방법.
  12. 제1항의 전기화학적 전환 시스템을 이용한 질소화합물의 제조방법으로,
    일산화질소를 포함하는 기체를 상기 일산화질소 흡착셀 내로 공급하는 단계;
    상기 일산화질소 흡착셀 내의 금속 착화합물이 상기 기체 내의 일산화질소와 착물을 형성하는 단계;
    상기 착물이 상기 일산화질소 분리셀 내에서 산화되어 상기 산화된 금속 착화합물과 일산화질소로 분리되는 단계; 및
    상기 분리된 일산화질소를 상기 일산화질소 전환셀로 농도를 조절하며 공급하고, 인가하는 전압을 조절하며, 상기 일산화질소를 환원시켜 질소화합물을 선택적으로 제조하는 단계;
    를 포함하는 질소화합물의 제조방법.
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