KR20180112798A - Method and cell for converting nitrogen dioxide into ammonia - Google Patents

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더글라스 맥필레인
신이 장
펑링 저우
시아란 제임스 맥도넬-월스
콜린 석모 강
메가 칼
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모나쉬 유니버시티
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Abstract

본 발명은 이질소의 암모니아로 환원을 위한 방법 및 나노구조화된 촉매를 포함하는 캐소드 작업 전극, 상대 전극 및 전해질을 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다. 본 발명은 이질소 및 수소 공급원을 전해질에 도입하는 단계를 포함하고, 상기 이질소는 상기 캐소드 작업 전극에서 암모니아로 환원된다. 상기 전해질은 명시된 세트의 양이온 및 명시된 세트의 음이온의 조합으로부터 형성되는 하나 이상의 액체 염을 포함한다.The present invention relates to a method for reduction of dinitrogen to ammonia and to an electrochemical cell comprising a cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst, a counter electrode and an electrolyte. The present invention comprises introducing a heterogeneous and hydrogen source into the electrolyte, wherein the heterogeneous is reduced to ammonia at the cathode working electrode. The electrolyte comprises at least one liquid salt formed from a combination of a specified set of cations and a specified set of anions.

Description

이질소를 암모니아로 전환하기 위한 방법 및 셀Method and cell for converting nitrogen dioxide into ammonia

본 발명은 이질소(N2)를 암모니아로 전환하기 위한 전기화학적 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical device and method for converting nitrogen (N 2 ) to ammonia.

일 형태에서, 본 발명은 이질소의 캐소드 환원에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to cathodic reduction of nitrogen.

특정 측면에서, 본 발명은 암모니아의 산업적 생산에 사용하기에 적합하다.In particular aspects, the present invention is suitable for use in the industrial production of ammonia.

본원 명세서에 문헌, 장치, 행위 또는 지식에 대한 논의는 본 발명의 문맥을 설명하기 위하여 포함되는 것으로 이해된다. 또한, 본원 명세서를 통하여 이러한 논의는 본 발명자의 실현 및/또는 본 발명자에 의한 관련 종래 기술의 문제점의 확인으로 인하여 발생된다. 나아가, 본원 명세서에서 문헌, 장치, 행위 또는 지식과 같은 논의 자료는 본 발명자의 지식의 관점에서 본 발명의 문맥을 설명하기 위하여 포함되며, 따라서, 그러한 논의는 상기 자료가 본원의 개시 및 청구항들의 우선일 또는 그 전에, 호주 또는 다른 곳에서 종래 기술 수준 또는 관련 기술에서 통상적인 일반적 지식의 일부를 형성하는 것임을 인정하는 것으로 간주되지 않아야 한다.It is understood that the discussion of documents, apparatus, acts or knowledge herein is included to illustrate the context of the present invention. In addition, throughout this specification, such discussion arises due to realization of the inventor and / or identification of problems of the related art by the present inventors. Further, discussion materials such as literature, apparatus, acts or knowledge herein are included to illustrate the context of the present invention in the light of the present inventor's knowledge, and such discussion is therefore not intended to limit the scope of the present disclosure Days or prior to that date, in Australia or elsewhere, to form part of the general knowledge common to the prior art level or related art.

암모니아 생산은 전세계 전기 에너지의 1~3% 및 전세계 천연 기체 생산의 약 5%를 소비하는, 고 에너지 집약적 공정이다. 전세계 생산은 현재 매년 약 2억 톤이며, 이는 농업, 약품 제조 및 기타 산업적 공정에서 이러한 화학 물질의 방대한 요구를 반영한다.Ammonia production is a high energy intensive process that consumes 1 to 3% of the world's electrical energy and about 5% of the world's natural gas production. Global production is currently around 200 million tonnes annually, reflecting the vast needs of these chemicals in agriculture, drug manufacturing and other industrial processes.

암모니아는 또한 화학적 에너지 캐리어로서 유용한 특징으로 인하여 무탄소 태양 에너지 저장 물질로서 고려되고 있다. 태양 에너지 저장에 사용될 수 있는 기타 화학 물질(수소와 같은)과 비교하여, 암모니아는 안전하고, 친환경적이고, 가장 중요한 것은, CO2를 방출하지 않는다. 이러한 형태로 저장되면, 에너지가 암모니아 연료 셀을 통하여 쉽게 회수된다.Ammonia is also considered as a non-carbon solar energy storage material because of its useful properties as a chemical energy carrier. Compared to other chemicals (such as hydrogen) that can be used to store solar energy, ammonia is safe, environmentally friendly, and most importantly, does not release CO 2 . When stored in this form, energy is easily recovered through the ammonia fuel cell.

백년 넘게, 암모니아는 다음 반응에 따라 고압 및 고온에서 철-계 촉매의 존재 하에 이질소 및 수소로부터 생산되어 왔다:For over a hundred years, ammonia has been produced from both nitrogen and hydrogen in the presence of iron-based catalysts at high pressure and elevated temperatures according to the following reaction:

Figure pct00001
식 1
Figure pct00001
Equation 1

Haber-Bosch 공정으로 알려진 이러한 공정은 지난 세기 동안 큰 세계 인구 성장을 뒷받침하여 온 저비용 비료 생산에 있어 핵심적으로 중요하였다. 상기 Haber-Bosch 공정은 매우 높은 온도 및 압력을 사용하며, 요구되는 수소 생산을 위하여 천연 가스, 오일 또는 석탄 형태의 상당량의 에너지를 필요로 한다.This process, known as the Haber-Bosch process, was critical to the production of low-cost fertilizers that supported large world population growth over the past century. The Haber-Bosch process uses very high temperatures and pressures and requires a significant amount of energy in the form of natural gas, oil or coal for the required hydrogen production.

증가하는 세계 인구를 먹여 살릴 필요성과 동시에 세계적 탄소 배출 감소의 필요성을 고려하면, 산업적 질소계 비료 생산과 화석 연료의 사용 간에 관련성을 끊는 것이 매우 바람직하다. 따라서, 암모니아 합성에 대한 대안적 경로에 관심이 집중되고 있다.Given the need to feed the growing world population and the need to reduce global carbon emissions, it is highly desirable to break the link between industrial nitrogen fertilizer production and the use of fossil fuels. Therefore, attention is focused on alternative routes to ammonia synthesis.

이질소의 암모니아로 전환을 위한 이상적 시스템은 경제적으로 실행가능하고 쉽게 규모조정가능하고, 주변 조건에서 작업될 것이고 풍력, 수력 또는 태양과 같은 재생가능한 에너지 공급원과 결합될 것이다. 전기화학적 접근은 이러한 목적을 잠재적으로 달성할 수 있다. 전기화학적 환원 공정은 출발 물질로서 이질소 기체를 수반하고, 다양한 수성 전해질 또는 H2 기체를 H+ 공급원으로서 사용한다. 이질소의 전기화학적 환원은 주로 전기화학적 촉매의 구조, 성분 및 표면 형태에 의존한다 (van der Ham et al, Chemical Society Reviews 43, 5183-5191 (2014)).The ideal system for conversion of dinitrogen to ammonia is economically feasible, easily scalable, will operate in ambient conditions, and will be combined with renewable energy sources such as wind, hydro, or solar. An electrochemical approach can potentially accomplish this purpose. Electrochemical reduction process is used, and involves a heterogeneous predetermined gas as a starting material, a variety of water-based electrolyte, or H 2 gas as a source of H +. The electrochemical reduction of heterogeneous species depends mainly on the structure, composition and surface morphology of the electrochemical catalyst (van der Ham et al., Chemical Society Reviews 43 , 5183-5191 (2014)).

예를 들어, Koleli & Ropke는 메탄올/LiClO4/H+ 용액 내 폴리아닐린 전극을 조사하였으며, 실온 및 승압에서 0.12 V(vs 정상 수소 전극)에서 16%의 최대 전류 효율을 달성하였다 (Koleli, F. & Ropke, T. Applied Catalysis B-Environmental 62, 306-310, (2006)).For example, Koleli & Ropke investigated a polyaniline electrode in a methanol / LiClO 4 / H + solution and achieved a maximum current efficiency of 16% at 0.12 V (vs normal hydrogen electrode) at room temperature and elevated pressure (Koleli, F. et al. &Amp; Ropke, T. Applied Catalysis B-Environmental 62 , 306-310, (2006)).

Pt 전극을 가지는 막 전극 어셈블리 기재의 셀을 사용함으로써, Lan et al은 주변 온도 및 압력 및 1.6 V의 전체 셀 전압에서 공기 및 물로부터 1.14x10-5 mol.m-2.s-1의 암모니아 생산 속도를 달성하였다 (Lan et al, Scientific Reports 3, (2013)).By using a cell based on a membrane electrode assembly having a Pt electrode, Lan et al produced ammonia from air and water at 1.14 x 10 -5 mol.m -2 s -1 at ambient temperature and pressure and a total cell voltage of 1.6 V (Lan et al, Scientific Reports 3, (2013)).

암모니아는 또한 1.2 V의 셀 전압 및 35%의 쿨롬 효율에서 나노-Fe2O3의 용융 하이드록사이드 현탁액 내 N2 및 증기의 혼합물을 사용하여 생산되었다(Licht et al. Science 345, 637-640 (2014)). 이러한 진전은 현재 암모니아 산업 공정과 경쟁의 큰 전망을 보이나, 사용되는 고온(~200℃)은 여전히 상당한 열 및 에너지 인풋을 요한다. 지금까지, 전기화학적 젼환은 Haber-Bosch 공정에 대한 실행가능한 대체로서 고려되기에 충분히 성공적이지 못하였다. 또한, 종래 기술의 전기화학적 전환은 이질소-고착 박테리아에 의하여 나타나는 것과 같이 충분히 높은 효율성 수준에 도달하지 못하였다 (Rosca et al, Chemical Reviews, 2009, 109, 2209-2244).Ammonia was also produced using a mixture of N 2 and steam in a molten hydroxide suspension of nano-Fe 2 O 3 at a cell voltage of 1.2 V and a Coulomb efficiency of 35% (Licht et al. Science 345 , 637-640 (2014). These developments have great prospects for competition with the current ammonia industry processes, but the high temperatures used (~ 200 ° C) still require significant heat and energy inputs. To date, electrochemical conversion has not been successful enough to be considered a viable replacement for the Haber-Bosch process. In addition, the prior art electrochemical conversion has not reached a sufficiently high level of efficiency as indicated by heterozygous-fixing bacteria (Rosca et al, Chemical Reviews , 2009 , 109, 2209-2244).

US 특허 출원 제 2006/0049063호 및 US 특허 제 6,712,950호는 용융 염 또는 이온성 액체와 같은 비수성 액체 전해질 내에서 질소-함유 종 또는 이질소 기체, 및 수소 함유 종 또는 수소 기체로부터 애노드 반응에 의한 암모니아 기체의 합성을 교시한다. 상기 방법은 전해질 내 N3 - 이온의 생산 및 애노드에서 N3 - 이온의 반응에 의한 암모니아 생산을 수반한다. 상기 방법은 매질이 현실적인 암모니아 생산 속도를 뒷받침할 유용한 양의 N3 -을 용해할 수 있을 정도로 선택되어야 할 필요성에 의하여 제한된다.U.S. Patent Application Nos. 2006/0049063 and 6,712,950 disclose a process for the preparation of a fuel cell from a nitrogen-containing species or a heterogeneous gas in a non-aqueous liquid electrolyte, such as a molten salt or an ionic liquid, Teach synthesis of ammonia gas. The process involves the production of N 3 - ions in the electrolyte and the production of ammonia by the reaction of N 3 - ions at the anode. The process is limited by the need for the medium to be selected such that it can dissolve a useful amount of N < 3 > - to support realistic ammonia production rates.

U.S. 특허 제 2016/0138176호 (Yoo et al)는 수성, 또는 알칼리 금속(염) 또는 이온성 액체의 액체 전해질을 함유하는 전기분해 셀을 이용하여 암모니아를 합성하는 방법을 기재한다. 상기 개시는 다양한 양이온 및 음이온(이들 중 많은 것들이 액체 염을 형성하지 않음)으로부터 형성되고 이들 중 일부는 암모니아 합성 효율에 대하여 제한된 안정성 및 유용성을 가지는 전해질의 사용의 교시를 포함한다.U.S.A. Patent No. 2016/0138176 (Yoo et al) describes a method of synthesizing ammonia using an electrolytic cell containing an aqueous or alkali metal (salt) or liquid electrolyte of an ionic liquid. The disclosure encompasses the teaching of the use of electrolytes having various cations and anions (many of which do not form liquid salts) and some of which have limited stability and availability for ammonia synthesis efficiency.

따라서, 암모니아 합성을 초래하는 캐소드 이질소 환원을 위한 새로운 전해질 및 개선된 방법을 확인할 필요가 계속되고 있다.Thus, there is a continuing need to identify new electrolytes and improved methods for reducing cathode isotopes that result in ammonia synthesis.

수소 발생 또는 CO2 환원과 대조적으로, 아주 적은 종래 기술의 전기촉매 또는 광촉매가 N2 환원에 대한 유용한 활성을 나타내는 것으로 보고되어 왔다. 그러한 반응을 위한 요구 조건 또는 가능한 메커니즘에 대해서는 알려진 것이 거의 없다. 그러나, 상업적으로 실행가능하게 되기 위해서는, 이질소의 전기화학적 전환이 이질소의 높은 안정성 및 화학적으로 불활성인 특성에 의하여 제시되는 난관을극복하여야 함이 알려져 있다.In contrast to hydrogen evolution or CO 2 reduction, very few prior art electrocatalysts or photocatalysts have been reported to exhibit useful activity for N 2 reduction. Little is known about the requirements or possible mechanisms for such a reaction. However, in order to be commercially feasible, it is known that the electrochemical conversion of heterogeneous nitrogen must overcome the difficulty presented by the high stability and chemically inert nature of the heterogeneous nitrogen.

따라서, 지금까지, 촉매 개발은 암모니아의 열 합성을 위한 촉매에 집중되어 왔다. 현재 암모니아 합성을 위한 전기촉매는 전도성 폴리머에 제한되어 왔다 (Koleli, F. & Ropke, T. Applied Catalysis B-Environmental 62, 306-310, (2006)), meso Ni-Cu alloy (Licht et al. Science 345, 637-640 (2014)), and commercial Pt/C catalysts (Lan et al, Scientific Reports 3, (2013)).So far, catalyst development has been focused on catalysts for thermal synthesis of ammonia. Currently, electrocatalysts for ammonia synthesis have been limited to conductive polymers (Koleli, F. & Ropke, T. Applied Catalysis B-Environmental 62 , 306-310, (2006)), meso Ni-Cu alloy (Licht et al. Science 345, 637-640 (2014)), and commercial Pt / C catalysts (Lan et al, Scientific Reports 3, (2013)).

금속성 나노-촉매가 연료 셀 및 CO2 환원을 위하여 광범위하게 사용되어 왔다. 나노촉매의 성능은 그 입자 크기, 형태 및 결정 구조에 의존하는 것으로 잘 알려져 있다.Metallic nano-catalysts have been extensively used for fuel cell and CO 2 reduction. The performance of nanocatalysts is well known to depend on their particle size, morphology and crystal structure.

Greenlee et al은 전기화학적 암모니아 합성을 위한 NiFe 나노촉매의 합성을 보고한다 (Nov. 8-13, 2015, AlChE annual meeting, Salt Lake City, UT https://aiche.confex.com/aiche/2015/webprogram/Paper422270.html). 상기 촉매의 추가적인 특징 또는 성능은 보고되지 않았다.Greenlee et al. Report the synthesis of NiFe nanocatalysts for electrochemical ammonia synthesis (Nov. 8-13, 2015, AlChE annual meeting, Salt Lake City, UT https://aiche.confex.com/aiche/2015/ webprogram / Paper422270.html ). No additional features or performance of the catalyst have been reported.

종래 기술의 전기촉매는 전형적으로 이질소 환원을 위한 충분한 효율, 촉매 활성 및 안정성을 가지지 않는다. 또한, 물 내 이질소의 낮은 용해도(20 mg/L, 20℃, 1 bar)는 종래 기술에 보고되는 낮은 반응 속도를 초래한다.Prior art electrocatalysts typically do not have sufficient efficiency, catalytic activity, and stability for heterogeneous reduction. In addition, the low solubility (20 mg / L, 20 DEG C, 1 bar) of dioxin in water results in the low reaction rate reported in the prior art.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명의 목적은 암모니아 생산을 위한 효율적인 전기화학 공정을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an efficient electrochemical process for the production of ammonia.

본 발명의 다른 목적은 캐소드 이질소 환원을 위한 전기화학적 공정에 적합한 전기화학 셀을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an electrochemical cell suitable for an electrochemical process for reducing cathode isotopes.

본 발명의 다른 목적은 캐소드 이질소 환원을 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an improved method for reducing cathode isotopes.

본 발명의 추가적인 목적은 종래 기술의 이질소 캐소드 환원 공정과 관련되는 적어도 하나의 불리한 점을 완화시키는 것이다.A further object of the present invention is to alleviate at least one disadvantage associated with the heterogeneous cathode reduction process of the prior art.

본원에 기재되는 구현예들의 목적은 관련 기술 시스템의 상기 주목한 결점들 중 적어도 하나를 극복 또는 완화하거나, 적어도 관련 기술 시스템에 대한 유용한 대안을 제공하는 것이다.It is an object of embodiments described herein to overcome or alleviate at least one of the noted drawbacks of the related art systems, or at least provide a useful alternative to the related art systems.

본원에 기재되는 구현예의 제1 측면에서, 이질소의 암모니아로 전기화학적 환원을 위한 셀이 제공되며, 상기 셀은In a first aspect of an embodiment described herein, there is provided a cell for electrochemical reduction of dinitrogen with ammonia,

- 이질소의 환원을 위한 나노구조화된 촉매를 포함하는 캐소드 작업 전극,A cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst for the reduction of nitrogen,

- 상대 전극, 및- a counter electrode, and

- 상기 작업 전극과 접촉하는 하나 이상의 액체 염을 포함하는 전해질An electrolyte comprising at least one liquid salt in contact with said working electrode

을 포함하고,/ RTI >

상기 액체 염은The liquid salt

(i) PR1-4 (포스포늄), NR1-4 (테트라 알킬암모늄), C4H8NR2 (피롤리디늄)로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온 (여기서, 각각의 R 기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 할로겐화되고, 임의로 이종원자를 포함하고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐 (아세테이트), 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있음); 및(i) a cation selected from the group consisting of PR 1-4 (phosphonium), NR 1-4 (tetraalkylammonium), C 4 H 8 NR 2 (pyrrolidinium), wherein each R group is independently Linear or branched, linear, branched, or cyclic, preferably containing from 1 to 18 carbon atoms, optionally partially or fully halogenated, optionally comprising heteroatoms, optionally and preferably comprising an ether, an alcohol, a carbonyl (acetate) A sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, wherein two R groups may combine to form a monocyclic or heterocyclic ring; And

(ii) (RO)xPF6-x(포스페이트), (RO)xBF4-x(보레이트), R'SO2NSO2R'(이미드), R'SO2C(SO2R')(SO2R')(메티드), FSO2NSO2F, C2O4BF2, C2O4PF4, RC2O4BF2, RC2O4PF4, CF3SO3(트리플레이트). R'SO3(술포네이트). R'CO2(카복실레이트). CF3COO(트리플루오로아세테이트). R'xPF6-x (FAP), R'xBF4-x로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온 (여기서, 각각의 R'기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 불화되고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐 (아세테이트), 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R' 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있음)(RO) x PF 6-x (phosphate), (RO) x BF 4-x (borate), R'SO 2 NSO 2 R '(imide), R'SO 2 C (SO 2 R' (SO 2 R ') (methide), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3 (Tree plate). R'SO 3 (sulfonate). R'CO 2 (carboxylate). CF 3 COO (trifluoroacetate). An anion selected from the group consisting of R ' x PF 6-x (FAP), R' x BF 4-x wherein each R 'group is independently linear, branched or cyclic, Includes a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl (acetate), a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, optionally containing a carbon atom and optionally partially or completely fluorinated, R ' groups may be joined to form a monocyclic or heterocyclic ring)

의 조합에 의하여 형성된다.As shown in FIG.

바람직한 구현예에서, 상기 액체 염은 C4mpr(부틸-메틸 피롤리디늄), P6,6,6,14 (트리헥실 테트라데실 포스포늄), P(C2Rfn)4(여기서, Rf는 퍼플루오로알킬임)로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온 ; 및 eFAP(C2F5PF3), NfO (나노플루오로부탄 술포네이트), PFO (퍼플루오로옥탄 술포네이트), FSI (비스(플루오로술포닐)이미드), NTf2 (비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드), B(otfe)4 (테트라키스(2,2,2-트리플루오로에탄)보레이트) 및 CF3COO (트리플루오로아세테이트)로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온의 조합에 의하여 형성된다.In a preferred embodiment, the liquid salt is selected from the group consisting of C 4 mpr (butyl-methylpyrrolidinium), P 6,6,6,14 (trihexyltetradecylphosphonium), P (C 2 R fn ) 4 wherein R and f is perfluoroalkyl); And eFAP (C 2 F 5 PF 3 ), NfO ( in nano-fluoro-butane sulfonate), PFO (perfluoro octane sulfonate), FSI (bis (sulfonyl fluorophenyl) imide), NTf 2 (bis (tri (Trifluoromethylsulfonyl) imide), B (otfe) 4 (tetrakis (2,2,2-trifluoroethane) borate) and CF 3 COO (trifluoroacetate) As shown in FIG.

특히 바람직한 구현예에서, 상기 액체 염은 PR1-4 (포스포늄) 양이온으로부터 선택되는 양이온을 포함한다.In a particularly preferred embodiment, the liquid salt comprises a cation selected from PR 1-4 (phosphonium) cations.

특히 바람직한 구현예에서, 상기 액체 염은 RSO3 (술포네이트), 특히 퍼플루오로부탄술포네이트 또는 퍼플루오로프로판술포네이트, 또는 트리플루오로포스페이트, 특히 eFAP (트리스)퍼플루오로에틸)트리플루오로포스페이트)로부터 선택되는 음이은을 포함한다.In a particularly preferred embodiment the liquid salt is selected from the group consisting of RSO 3 (sulphonate), in particular perfluorobutanesulfonate or perfluoropropanesulfonate, or trifluorophosphate, especially eFAP (tris) perfluoroethyl) trifluoro Phosphate). ≪ / RTI >

다른 바람직한 구현예에서, 상기 액체 염의 양이온 및/또는 음이온은 불화 또는 과불화된다.In another preferred embodiment, the cation and / or anion of the liquid salt is fluorinated or perfluorinated.

상기 액체 염이 비교적 높은 질소 용해도 (예를 들어, 이미다졸륨 염 및 디시아나미드와 같은 니트릴계 음이온과 같은 종래 기술의 액체 염과 비교하여)를 가지는 것이 특히 바람직하다.It is particularly preferred for said liquid salt to have a relatively high solubility in nitrogen (for example, as compared to prior art liquid salts such as imidazolium salts and nitrile anions such as dicyanamides).

이질소의 암모니아로 전기화학적 환원을 위한 셀의 특히 바람직한 구현예에서, 이질소의 암모니아로 환원은 주로 상기 캐소드 작업 전극의 작업 표면 상에서 3 상 경계에 인접하는 영역 내에서 일어난다.In a particularly preferred embodiment of the cell for the electrochemical reduction of the heterogeneous ammonia, the reduction of the heterogeneous to ammonia takes place mainly in the region adjacent to the three-phase boundary on the working surface of the cathode working electrode.

전형적으로, 상기 나노구조화된 전기화학 촉매는 상기 캐소드 작업 전극의 작업 표면에 적용되어 전기분해가 주로 일어나는 기체/전해질/금속 3 상 경계 영역을 형성한다.Typically, the nanostructured electrochemical catalyst is applied to the working surface of the cathode working electrode to form a gas / electrolyte / metal three-phase boundary region where electrolysis predominates.

전기분해 셀은 전기분해 반응을 수행하고 전극 간 전류를 조절하기 위하여 당업자에게 잘 알려진 기타 특징들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기분해 셀은 히터, 냉각 장치 또는 가압 수단과 같은 잘 알려진 수단을 이용하여 작업 온도 또는 압력을 조절하도록 조정될 수 있다. 또한, 상기 셀은 20 kHZ 보다 큰 에너지의 음파를 생성하기 위한 초음파 발생기를 포함할 수 있다.The electrolysis cell may include other features well known to those skilled in the art for performing the electrolysis reaction and for controlling the inter-electrode current. For example, the electrolysis cell may be adjusted to adjust the operating temperature or pressure using well known means such as a heater, a cooling device or a pressurizing means. In addition, the cell may comprise an ultrasonic generator for generating a sound wave of energy greater than 20 kHz.

전기분해 셀은 바람직하게는 질소 및 수소 또는 수증기를 포함하는 기체 스트림의 셀에 도입, 및 암모니아를 함유하는 기체의 배출을 허용하는 작용을 하는 기체 유동층을 포함한다. 암모니아는 임의로 셀 외부에서 수집된다.The electrolytic cell preferably includes a gas fluidized bed that is operable to introduce into a cell of a gas stream comprising nitrogen and hydrogen or water vapor, and to permit the discharge of a gas containing ammonia. Ammonia is optionally collected outside the cell.

추가적인 구현예에서, 본 발명에 따른 두 개 이상의 셀들이 직렬로 적층될 때 어셈블리가 형성될 수 있다. 하나 이상의 적층셀들은 또한 폴딩되거나 롤링될 수 있다. 기체가 어셈블리의 최장 치수의 "말단"으로부터 또는 어셈블리의 양면으로부터를 포함하는 임의의 편리한 위치에 도입될 수 있다.In a further embodiment, an assembly may be formed when two or more cells according to the present invention are stacked in series. The one or more stacked cells may also be folded or rolled. Gas may be introduced at any convenient location, including from the " end " of the longest dimension of the assembly or from both sides of the assembly.

본원에 기재되는 구현예들의 제2 측면에서, 이질소의 암모니아로 전기화학적 환원 방법이 제공되며, 상기 방법은In a second aspect of the embodiments described herein, there is provided a method of electrochemical reduction of dinitrogen with ammonia,

(1) 나노구조화된 촉매를 포함하는 캐소드 작업 전극을 하나 이상의 액체 염을 포함하는 전해질과 접촉시키는 단계,(1) contacting a cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst with an electrolyte comprising at least one liquid salt,

- 여기서 상기 액체 염은- wherein said liquid salt is

(i) PR1-4 (포스포늄), NR1-4 (테트라 알킬암모늄), C4H8NR2 (피롤리디늄)로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온 (여기서, 각각의 R 기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 할로겐화되고, 임의로 이종원자를 포함하고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐 (아세테이트), 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있음); 및(i) a cation selected from the group consisting of PR 1-4 (phosphonium), NR 1-4 (tetraalkylammonium), C 4 H 8 NR 2 (pyrrolidinium), wherein each R group is independently Linear or branched, linear, branched, or cyclic, preferably containing from 1 to 18 carbon atoms, optionally partially or fully halogenated, optionally comprising heteroatoms, optionally and preferably comprising an ether, an alcohol, a carbonyl (acetate) A sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, wherein two R groups may combine to form a monocyclic or heterocyclic ring; And

(ii) (RO)xPF6-x(포스페이트), (RO)xBF4-x(보레이트), R'SO2NSO2R'(이미드), R'SO2C(SO2R')(SO2R')(메티드), FSO2NSO2F, C2O4BF2, C2O4PF4, RC2O4BF2, RC2O4PF4, CF3SO3(트리플레이트). R'SO3(술포네이트). R'CO2(카복실레이트). CF3COO(트리플루오로아세테이트). R'xPF6-x (FAP), R'xBF4-x로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온 (여기서, 각각의 R'기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 불화되고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐 (아세테이트), 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R' 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있음)(RO) x PF 6-x (phosphate), (RO) x BF 4-x (borate), R'SO 2 NSO 2 R '(imide), R'SO 2 C (SO 2 R' (SO 2 R ') (methide), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3 (Tree plate). R'SO 3 (sulfonate). R'CO 2 (carboxylate). CF 3 COO (trifluoroacetate). An anion selected from the group consisting of R ' x PF 6-x (FAP), R' x BF 4-x wherein each R 'group is independently linear, branched or cyclic, Includes a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl (acetate), a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, optionally containing a carbon atom and optionally partially or completely fluorinated, R ' groups may be joined to form a monocyclic or heterocyclic ring)

의 조합에 의하여 형성됨, 및, ≪ / RTI > and

(2) 이질소 및 수소 공급원을 상기 전해질에 도입하는 단계(2) introducing a heterogeneous and hydrogen source into the electrolyte

를 포함하고,Lt; / RTI >

상기 이질소는 상기 캐소드 작업 전극에서 암모니아로 환원된다.The nitrogen is reduced to ammonia at the cathode working electrode.

상기 방법은 캐소드 작업 전극에서 생성되는 암모니아를 수집하고, 분리 트랩 또는 분리 장치를 이용하여 존재하는 기타 액체 및 기체로부터 암모니아를 분리하는 단계(3)를 추가로 포함할 수 있다.The method may further comprise collecting ammonia produced in the cathode working electrode and separating ammonia from other liquids and gases present using a separation trap or separator.

전형적으로, 이질소는 수소 공급원, 바람직하게는 수소 기체 또는 물의 존재 하에 캐소드 작업 전극에서 암모니아로 환원된다. 특히 바람직한 방법의 구현예에서, 이질소 기체는 수증기로 조절된 정도로 가습된 다음, 가습 기체가 스트림 내에서 이질소가 전기화학적으로 환원되어 암모니아를 형성하는 캐소드로 통과된다. Typically, the nitrogen is reduced to ammonia at the cathode working electrode in the presence of a hydrogen source, preferably hydrogen gas or water. In a particularly preferred embodiment of the method, the heterogeneous gas is humidified to a degree controlled by water vapor, and then humidified gas is passed through the cathode in which the nitrogen is electrochemically reduced to form ammonia.

전형적으로, 수소 공급원이 물일 때, 애노드 상대 전극은 캐소드에서 형성된 히드록실 이온을 물 및 산소로 전환한다.Typically, when the hydrogen source is water, the anode counter electrode converts the hydroxyl ions formed at the cathode to water and oxygen.

상기 상대 전극은 작업 전극과 동일한 전해질 내에 놓이거나, 대안적으로, 전해질 막 또는 세퍼레이터 물질과 같은 일부 수단에 의하여 분리될 수 있다. 다른 구현예에서, 상대 전극은 수용액과 같은 다른 전해질 매질을 임의로 함유하는 구획 내에 배치될 수 있다.The counter electrode may be placed in the same electrolyte as the working electrode, or alternatively may be separated by some means, such as an electrolyte membrane or separator material. In other embodiments, the counter electrode may be disposed in a compartment that optionally includes another electrolyte medium, such as an aqueous solution.

상대 전극 반응은 물 산화 또는 아황산 산화와 같은 다른 유리한 산화 반응일 수 있다.The counter electrode reaction may be another favorable oxidation reaction such as water oxidation or sulfurous acid oxidation.

전해질Electrolyte

상기 작업 전극과 접촉하는 전해질은 하나 이상의 염을 포함할 수 있고, 상기 염들은 고체 또는 액체 상태 또는 이의 조합일 수 있다.The electrolyte in contact with the working electrode may comprise one or more salts, which may be in solid or liquid state or a combination thereof.

상기 전해질은 전형적으로 층의 형태이다. 바람직하게, 상기 전해질은 스페이서 또는 전해질막 (그 자체로 전해질로서 작용할 수 있음), 예를 들어, NafionTM 또는 NafionTM-액체 염 블렌드와 같은 폴리머 전해질, 또는 겔화 액체 염 전해질을 포함하거나, 페이퍼 또는 CeleguardTM과 같은 다공성 세퍼레이터 내로 침지된 전해질이다.The electrolyte is typically in the form of a layer. Preferably, the electrolyte comprises a spacer or an electrolyte membrane (which may serve as electrolyte itself), for example a polymer electrolyte, such as a Nafion TM or Nafion TM liquid salt blend, or a gelled liquid salt electrolyte, Electrolyte immersed in a porous separator such as Celeguard TM .

본 발명의 추가적인 구현예에서, 본 발명의 셀 내 사용을 위한 본원에 기재된 하나 이상의 염과 조합된 얇은 물질층을 포함하는 전해질 막이 제공된다.In an additional embodiment of the present invention, there is provided an electrolyte membrane comprising a layer of a thin material in combination with one or more of the salts described herein for use in a cell of the invention.

바람직하게, 본 발명의 전해질은 이질소에 대한 높은 용해도 및 물에 대한 낮은 용해도를 가진다. 바람직하게, 이질소 용해도는 셀의 작업 온도 및 압력에서 적어도 100 mg/L, 더 바람직하게는 200 mg/L 보다 크고; 가장 바람직하게는 용해도는 400 mg/L 보다 크다. 상기 액체 염 내 물 용해도는 바람직하게는 셀의 작업 온도 및 압력에서 5 중량% 미만, 더 바람직하게는 2 중량% 미만, 가장 바람직하게는 1 중량% 미만이다.Preferably, the electrolyte of the present invention has a high solubility for the nitrogen and a low solubility for water. Preferably, the solubility of the solute is at least 100 mg / L, more preferably greater than 200 mg / L at the operating temperature and pressure of the cell; Most preferably, the solubility is greater than 400 mg / L. The water solubility in the liquid salt is preferably less than 5% by weight, more preferably less than 2% by weight and most preferably less than 1% by weight at the operating temperature and pressure of the cell.

액체 염Liquid salt

본원에 사용되는 용어 액체 염은 사용 온도에서 액체이고 하나 이상의 염 (각각 순수 상태에서 고체 또는 액체일 수 있음)을 함유하는 전해질 매질을 언급하기 위한 것이다. 상기 염들은 임의의 적합한 금속염, 유기염, 양성자성 염, 착염 등으로부터 선택될 수 있다.The term liquid salt as used herein is intended to refer to an electrolyte medium which is liquid at the use temperature and contains one or more salts, each of which may be a solid or liquid in pure state. The salts may be selected from any suitable metal salt, organic salt, protic salt, complex salt, and the like.

상기 액체 염 매질은 또한 고체 염들을 혼합하여 원하는 특징의 액체 염을 형성함으로써 형성될 수 있다.The liquid salt medium may also be formed by mixing solid salts to form a liquid salt of the desired characteristics.

상기 액체 염 매질은 물 또는 상기 액체 염 전해질과 혼화가능한 기타 분자성 액체를 포함하는 부가적인 성분을 함유할 수 있다. 당업자에 의하여 이해되는 바와 같이, 그러한 물질들은 디메틸술폭사이드, 테트라글림 및 기타 올리고- 및 폴리-에테르, 글루타로니트릴 및 기타 고비점 니트릴, 트리플루오로톨루엔 및 기타 전체적으로 또는 부분적으로 불화된 용매 및 프로필렌 카보네이트 및 기타 카보네이트 용매를 포함한다. 분자성 액체 성분이 휘발성일 때, N2 기체 스트림은 기체 스트림이 환원 셀 내로 통과하기 전에 분사성 용매의 용기를 통하여 버블링함으로써 미리 포화될 수 있으며; 생산 기체 스트림 내 셀 밖으로 통과하는 임의의 분자성 액체는 응축되거나 재사용을 위하여 포획될 수 있다. 바람직하게, 분자성 액체는 불화 또는 과불화된다. 바람직하게, 분자성 액체는 액체 염 매질 내에 90 부피% 내지 0.1 부피%, 더 바람직하게는 20 부피% 내지 0.2 부피%, 가장 바람직하게는 50 부피% 내지 0.5 부피% 수준으로 존재한다.The liquid salt medium may contain additional components including water or other molecular liquids compatible with the liquid salt electrolyte. As will be understood by those skilled in the art, such materials include dimethylsulfoxide, tetraglyme and other oligo- and poly-ethers, glutaronitrile and other high boiling nitriles, trifluorotoluene and other wholly or partially fluorinated solvents and propylene Carbonates and other carbonate solvents. When the molecular components of the volatile liquid, N 2 gas stream by bubbling through a vessel of the injection solvent prior to passing into the reduction cell, the gas stream may be pre-saturated, and; Any molecular liquid that passes out of the cell in the product gas stream can be condensed or captured for reuse. Preferably, the molecular liquid is fluorinated or perfluorinated. Preferably, the molecular liquid is present in the liquid salt medium at a level of from 90% by volume to 0.1% by volume, more preferably from 20% by volume to 0.2% by volume, most preferably from 50% by volume to 0.5% by volume.

액체 염을 포함하는 전해질은 공정 반응이 일어나는, 이온 전도성, 저 수분 함량 매질을 제공한다. 본 발명의 전해질은 또한 휘발성이 낮거나 없는 이점을 제공하고, 일부 기체는 물 내에서보다 액체 염을 포함하는 전해질 내에서 더 가용성이다. 특히, 액체 염을 포함하는 일부 전해질은 (수성 및 기타 전해질과 비교하여) N2 기체에 대한 증가된 용해도를 가져, 전해질/전극 계면에서 N2 농도를 증가시킨다.An electrolyte comprising a liquid salt provides an ion conducting, low moisture content medium in which process reactions occur. The electrolyte of the present invention also provides low or no volatility advantages, and some gases are more soluble in the electrolyte, including liquid salts, than in water. In particular, some electrolytes, including liquid salts, have increased solubility for N 2 gas (compared to aqueous and other electrolytes), increasing the N 2 concentration at the electrolyte / electrode interface.

본원에 기재된 구현예의 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 이질소를 암모니아로 전기화학적 환원하기 위한 전해질 매질을 제공하며, 상기 매질은 이질소에 대하여 높은 용해도 및 물에 대하여 낮은 용해도를 가지는 하나 이상의 액체 염을 포함한다.In another aspect of the embodiments described herein, the present invention provides an electrolyte medium for electrochemical reduction of nitrogenous species to ammonia in accordance with the method of the present invention, wherein the medium has a high solubility for the nitrogen and a low solubility for water The branch comprises one or more liquid salts.

바람직한 구현예에서, 상기 전해질은 히나 이상의 eFAP 액체 염을 포함하며, 이는 eFAP 액체 염이 높은 N2 용해도를 나타내기 때문이다 (ref S. Stevanovic et al, Chem. Thermodynamics 59 (2013) 65-71). In a preferred embodiment, the electrolyte comprises eFAP liquid salts above the hina, since the eFAP liquid salt exhibits high N 2 solubility (ref S. Stevanovic et al, Chem. Thermodynamics 59 (2013) 65-71) .

액체 염을 포함하는 전해질은 또한, 전기화학 반응에 조절된 물 활성을 제공하고, N2 환원을 지지하기에 충분히 높으나, 물의 H2로 신속한 환원을 지지할만큼 높지는 않은 어느 정도의 소수성을 나타낸다. 바람직한 구현예에서, 상기 전해질은 P6,6,6,14 양이온 기재의 하나 이상의 소수성 액체를 포함한다. 특히 바람직한 구현예에서, 상기 전해질은 실질적으로 액체 염, [P6,6,6,14][ eFAP]으로 구성된다. The electrolyte comprising the liquid salt also exhibits a degree of hydrophobicity which is high enough to provide controlled water activity to the electrochemical reaction and to support N 2 reduction but not high enough to support rapid reduction with H 2 of water . In a preferred embodiment, the electrolyte comprises at least one hydrophobic liquid of a P6,6,6,14 cationic substrate. In a particularly preferred embodiment, the electrolyte is substantially a liquid salt, [P 6,6,6,14 ] [ eFAP].

특히 바람직한 구현예에서, 상기 전해질은 수성 히드록사이드 용액과 접촉시킴에 의해서와 같이, 사용 전에 미리 조절된다. 이론에 구애되고자 하지 않으나, 상기 사전 조절은 본 발명의 전해질 내 소정의 양성자 활성을 제공하는 소량의 OH를 액체 염 내로 도입할 수 있다.In a particularly preferred embodiment, the electrolyte is pre-conditioned prior to use, such as by contacting it with an aqueous hydroxide solution. Without wishing to be bound by theory, the preconditioning may introduce a small amount of OH into the liquid salt to provide the desired protonic activity in the electrolyte of the present invention.

본 발명에 따른 셀 내 전해질 물질에 적용되는 온도 범위는 ~35 내지 200℃, 바람직하게는 0℃ 내지 150℃, 가장 바람직하게는 15℃ 내지 130℃일 수 있다.The temperature range applicable to the in-cell electrolyte material according to the present invention may be from -35 to 200 캜, preferably from 0 캜 to 150 캜, and most preferably from 15 캜 to 130 캜.

적용 압력 범위는 전형적으로 0.7 bar 질소 압력 내지 100 bar 질소 압력, 바람직하게는 1 bar 내지 30 bar, 가장 바람직하게는 1 bar 내지 12 bar이다. 압력은 연속적, 즉 시간 경과에 따라 일정하거나 계속하여 증가할 수 있다. 대안적으로, 압력은 불연속적, 즉 시간 경과에 따라 펄스되는 - 즉, 전술한 범위 내에서 더 높은 압력과 더 낮은 압력 값 사이에서 교호할 수 있다.The applied pressure range is typically from 0.7 bar nitrogen pressure to 100 bar nitrogen pressure, preferably from 1 bar to 30 bar, and most preferably from 1 bar to 12 bar. The pressure can be continuous, i.e. constant or continuously increasing with time. Alternatively, the pressure may be discontinuous, i.e. pulsed over time - that is, alternating between higher and lower pressure values within the aforementioned range.

압력-온도 조합은 증가된 N2 용해도 및 전기화학 반응 속도론을 허용하고, 암모니아가 그 응결점에 근접하나 그 아래에서 생성되도록 선택될 수 있다(예를 들어, 25℃에서 10 bar 또는 79℃에서 40 bar) . The pressure-temperature combination allows for increased N 2 solubility and electrochemical kinetics, and can be selected such that ammonia is brought close to but below the set point (e.g., at 25 ° C at 10 bar or 79 ° C 40 bar).

전형적으로, 연속 전류가 캐소드 작업 전극과 상대 전극 사이에 통과할 것이나, 풍력 광전지 패널 동력 구동 공정과 같은 일부 적용에서 간헐 또는 펄스 전류가 적합할 수 있다.Typically, a continuous current will pass between the cathode working electrode and the counter electrode, but intermittent or pulsed currents may be suitable for some applications such as wind power photovoltaic panel power drive processes.

나노구조화 촉매Nano-structured catalyst

본원에 기재된 구현예의 제3 측면에서, 이질소의 암모니아로 전기화학적 환원을 위한 촉매가 제공되며, 상기 촉매는 인접하는 전해질 층 내에서 측정하여, 0.1 mF/cm2 보다 크고, 바람직하게는 1 mF/cm2 보다 큰 이중층 용량으로 나타내어지는 높은 전기화학적 작업 표면적을 가지는 나노구조화된 물질을 포함한다.In a third aspect of the embodiments described herein, there is provided a catalyst for electrochemical reduction of dinitrogen with ammonia, wherein the catalyst has a concentration of greater than 0.1 mF / cm < 2 >, preferably 1 mF / It includes nanostructured materials having a high surface area electrochemical operation represented by a large double layer capacity than the cm 2.

바람직하게, 상기 나노구조화된 촉매는 원소 금속 또는 금속을 포함하는 무기 화합물 형태의 하나 이상의 금속을 포함한다. 상기 나노구조화된 촉매는 구분된 입자 또는 시트 또는 필름 또는 3차원 구조의 형태일 수 있다. 상기 나노구조화된 촉매는 1 nm 내지 1000 nm 범위의 적어도 하나의 칫수를 가지는 임의의 형태일 수 있는 형태학적 특징을 구현한다.Preferably, the nanostructured catalyst comprises an elemental metal or at least one metal in the form of an inorganic compound comprising a metal. The nanostructured catalyst may be in the form of segmented particles or sheets or films or three-dimensional structures. The nanostructured catalysts embody morphological features that can be of any shape with at least one dimension ranging from 1 nm to 1000 nm.

적합한 금속은 Fe, Ru, Mo, Cu, Pd, Ti, Ce 및 La, 및 다른 금속 및 반금속과 그들의 합금을 포함하는, 임의의 전이 금속 또는 란탄족 금속을 포함한다.Suitable metals include any transition metal or lanthanide metal, including Fe, Ru, Mo, Cu, Pd, Ti, Ce and La, and other metals and semimetals and their alloys.

전술한 금속은 금속 산화물 또는 황화물로 표면 데코레이션되거나, 상기 금속과 그의 산화물 또는 황화물로 복합체가 형성될 수 있다.The above-described metal may be surface-decorated with a metal oxide or a sulfide, or may be formed of a composite with the metal and its oxide or sulfide.

상기 촉매는 또한 황화물에 의하여 브릿징되는 두 개의 금속으로 구성되는 금속 착체를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 금속은 Fe 및 Mo이다.The catalyst may also comprise a metal complex consisting of two metals bridged by a sulfide. Preferably, the metals are Fe and Mo.

상기 촉매 나노입자 필름은 바람직하게는 순환 전압전류 또는 펄스 전압전류 전착 방법에 의하여 제조될 수 있다.The catalyst nanoparticle film may preferably be manufactured by a cyclic voltage current or pulse voltage current electrodeposition method.

다른 바람직한 구현예에서, 상기 촉매는 PEDOT와 같은 전도성 폴리머 물질을 포함할 수 있다.In another preferred embodiment, the catalyst may comprise a conductive polymer material such as PEDOT.

또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 촉매는 도핑된 탄소 물질, 특히 N 및/또는 S로 도핑된 탄소를 포함할 수 있다.In another preferred embodiment, the catalyst may comprise a doped carbon material, particularly carbon doped with N and / or S.

상기 촉매는 바람직하게는 전기 전도성, 화학적으로 불활성인 지지체 상에 담지 또는 데코레이션된다. 적합한 지지체는 불소-도핑된 산화주석, 그래핀, 환원된 그래핀 산화물, 다공성 탄소, 카본 클로쓰, 카본 나노튜브, 전도성 폴리머 및 다공성 금속을 포함한다.The catalyst is preferably supported or decorated on an electrically conductive, chemically inert support. Suitable supports include fluorine-doped tin oxide, graphene, reduced graphene oxide, porous carbon, carbon cloth, carbon nanotubes, conductive polymers and porous metals.

페러데이 효율은 종래 기술의 관련 공정에 있어서 특별한 결함이다. 패러데이 효율을 이용하여 N2 환원 반응에 사용되는 전류의 분율을 기재할 수 있다. 나머지 분율, 즉 (100 - 패러데이 효율)%은 H2 및 히드라진의 생산을 포함하는 원치 않는 부반응에서 소모된다. 이러한 부산물들은 폐에너지를 나타내며, 원하는 생성물로부터 복잡한 분리 방법을 필요로 할 수 있다. 본 발명의 목적 중 하나는 비교적 높은 패러데이 효율의 암모니아 제조 방법을 제공하는 것이다.The ferrodefficiency is a particular defect in related processes of the prior art. The Faraday efficiency can be used to describe the fraction of the current used in the N 2 reduction reaction. The remaining fraction, i.e., (100 - Faraday efficiency)% is consumed in unwanted side reactions involving the production of H 2 and hydrazine. These by-products represent waste energy and may require a complex separation method from the desired product. One of the objects of the present invention is to provide a method for producing ammonia having a relatively high Faraday efficiency.

기타 측면들 및 바람직한 형태들이 본원 명세서에 개시되고 및/또는 청부하는 청구항들에 정의되며, 이는 본 발명의 기재의 일부를 형성한다.Other aspects and preferred forms are defined in the claims and / or claims set forth herein, which form part of the description of the present invention.

실질적으로, 본 발명의 구현예들은 용해된 N2 기체 농도를 증가시키고, H2 생산과 같은 원치 않는 경쟁 반응 속도를 저하시키면서 환원 반응에서 이질소 활성을 증가시키는 특정 균일 촉매 역할을 하는 특정 비-수성 전해질의 선택에 의하여 암모니아 생산 효율이 개선될 수 있다는 실현에 기인한 것이다. 상기 효율은 특정 나노구조화된 촉매를 사용함으로써 더욱 개선된다.Substantially, embodiments of the present invention are directed to specific non-aqueous catalysts that act as specific homogeneous catalysts to increase dissolved N 2 gas concentration and increase heterogeneous activity in a reducing reaction while reducing undesired competitive reaction rates, such as H 2 production. And the ammonia production efficiency can be improved by the selection of the aqueous electrolyte. The efficiency is further improved by the use of specific nanostructured catalysts.

종래 기술 공정들과 비교하여 본 발명에 의하여 제공되는 이점들은 다음을 포함한다:Advantages provided by the present invention in comparison with prior art processes include:

·높은 패러데이 효율로 이질소의 암모니아로 전환;·· Conversion to heterogeneous ammonia with high Faraday efficiency;

·반응이 주변 온도 및 압력에서 수행될 수 있음;The reaction can be carried out at ambient temperature and pressure;

·전해질 내 이질소의 더 큰 용해도;Greater solubility of the nitrogenous elements in the electrolyte;

·환원 반응에서 증가된 이질소 활성;Increased heterogeneous activity in the reduction reaction;

·H2 생산과 같은 바람직하지 않는 경쟁 반응의 더 낮은 속도;, A lower rate of undesirable competing reaction, such as H 2 production;

·추가적인 수소가 요구되지 않도록 물이 수소 공급원으로 사용가능;Water can be used as a hydrogen source so that no additional hydrogen is required;

·적합한 촉매가 값싸고 풍부한 물질로부터 이용가능함;Suitable catalysts are available from cheap and abundant materials;

·높은 부식성 전해질이 없음.· High corrosive electrolyte.

본 발명의 구현예들의 추가적인 적용가능성 범위는 이하 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 상세한 설명으로부터 본원 개시의 사상 및 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 당업자에게 분명하여질 것이므로, 상세한 설명 및 특정 실시예들은 본 발명의 바람직한 구현예들을 나타내며 예시적으로만 제공되는 것임을 이해하여야 한다.Additional applicability of embodiments of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, it should be understood that the detailed description and specific examples, while indicating various changes and modifications within the spirit and scope of the disclosure, will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description, .

본 발명은 암모니아 생산을 위한 효율적인 전기화학 공정을 제공한다.The present invention provides an efficient electrochemical process for the production of ammonia.

본 발명의 바람직한 및 기타 구현예들의 추가적인 개시, 목적, 이점 및 측면들이 첨부 도면과 함께 이하 구현예들의 기재를 참조로 하여 당업자에게 보다 잘 이해될 것이며, 도면은 예시 목적으로만 제공되므로 본원 개시를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 N2 환원을 위한 전형적인 전기화학 셀을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리 전극을 기초로 한 N2 환원 셀의 개략도이다.
도 3은 직렬 접속하여 적층되는 도 2에 도시되는 셀들을 도시하는, 본 발명에 따른 적층 N2 환원 셀 배열의 개략도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Further disclosures, objects, advantages and aspects of preferred and other embodiments of the present invention will become better understood by those of ordinary skill in the art with reference to the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings, Not limited.
1 is a schematic diagram showing a typical electrochemical cell for N 2 reduction according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a N 2 reduction cells based on hybridoma electrode according to the present invention.
3 is a schematic view of a stacked N 2 reduction cell arrangement according to the present invention showing the cells shown in FIG. 2 stacked in series.

약어Abbreviation

본원에 사용되는 약어들은 다음 화학종들을 의미한다:Abbreviations used herein refer to the following species:

B(otfe) 4 - 테트라키스(2,2,2-트리플루오로에탄옥시)보레이트 (B(OCH2CF3)4) B (otfe) 4 - tetrakis (2,2,2-trifluoroethanoxy) borate (B (OCH 2 CF 3 ) 4 )

C 4 mpyr - 부틸-메틸 피롤리디늄 C 4 mpyr -butyl-methylpyrrolidinium

EMIM - 에틸 메틸 이미다졸륨 EMIM -ethylmethylimidazolium

eFAP - 트리스(퍼플루오로에틸) 트리플루오로포스페이트 eFAP -tris (perfluoroethyl) trifluorophosphate

FSI - 비스(플루오로술포닐)이미드 ((FSO2)2N) FSI -bis (fluorosulfonyl) imide ((FSO 2 ) 2 N)

HMIM - 헥실 메틸 이미다졸륨 HMIM -hexyl methyl imidazolium

NfO - 노나플루오로 부탄 술포네이트 (CF3(CF2)3SO3) NfO - nonafluoro butane sulfonate (CF 3 (CF 2) 3 SO 3)

NTf2 - 비스(트리플루오로메틸 술포닐)아미드 NTf2 -bis (trifluoromethylsulfonyl) amide

P 6,6,6,14 - 트리헥실 테트라데실 포스포늄 P 6,6,6,14 -trihexyltetradecylphosphonium

P 1,4,4,4 - 트리 부틸메틸 포스포늄 P 1,4,4,4 -tributyl methylphosphonium

PEDOT - 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜) PEDOT -poly (3,4-ethylenedioxythiophene)

퍼플루오로부틸 술포네이트 (F9C4SO3) Perfluorobutylsulfonate (F 9 C 4 SO 3 )

PFO - 퍼플루오로 옥탄 술포네이트 (F17C8 SO3) PFO -perfluorooctanesulfonate (F 17 C 8 SO 3 )

PFB - 퍼플루오로부티레이트 PFB - Perfluorobutyrate

R f - 퍼플루오로 알킬 -(CF2)n-1(CF3) 여기서 n은 짝수임 R f -perfluoroalkyl- (CF 2 ) n-1 (CF 3 ) where n is an even number

상세한 설명details

본 발명을 이하 비-제한적 실시예를 참조로 하여 더욱 기재할 것이다. 이들 실시예들은 액체 염 전해질 내 새로운 촉매 물질의 전기촉매 활성을 분석한다.The invention will now be further described with reference to the following non-limiting examples. These embodiments analyze the electrocatalytic activity of new catalytic materials in liquid salt electrolytes.

실시예들은 또한 화학적 및 전착 방법을 이용한 다양한 금속 나노구조(나노입자 또는 필름)를 기초로 하는 전극의 제작, 및 하나 이상의 액체 염을 포함하는 전해질 내 그들의 전기촉매 특성의 조사를 예시한다. 액체 염을 포함하는 전해질을 사용함으로써, 이질소가 주변 온도 및 압력에서, 종래 기술 공정의 실온 효율을 초과하는 >60%의 패러데이 효율로 암모니아로 성공적으로 전환될 수 있었다.Embodiments also illustrate the fabrication of electrodes based on various metal nanostructures (nanoparticles or films) using chemical and electrodeposition processes, and the investigation of their electrocatalytic properties in electrolytes comprising one or more liquid salts. By using an electrolyte comprising a liquid salt, the nitrogen dioxide could successfully be converted to ammonia at ambient temperature and pressure, with a Faraday efficiency of> 60%, which exceeds the room temperature efficiency of the prior art process.

액체 염을 기초로 하는 공정을 이용하는 본 발명의 방법은 이질소의 용해도를 상당히 증가시킬 수 있을 뿐아니라, 환원 반응에서 이질소의 활성을 증가시키는균일 촉매 역할을 함과 동시에, H2 생산과 같은 바람직하지 않은 경쟁 반응의 속도를 저하시킨다. The method of the present using a process that is based on the liquid salt invention and at the same time a homogeneous catalyst which not only can greatly increase the heterogeneity of cattle solubility, increase the heterogeneity of cattle activity in the reduction reaction, not preferred as H 2 production Which slows down the speed of uncompromising competition.

Fe를 상업적으로 이용가능한 불소-도핑된 산화주석 또는 다공성 금속 (또는 탄소) 기판 상으로 전착함으로써 Fe 기재의 N2 전기환원 촉매 필름을 제조하였다. 불소-도핑 산화주석 코팅된 유리는 전기 전도성이며 광범위한 장치 내 사용에 이상적이다. 불소 도핑 산화주석은 대기 조건에서 비교적 안정하고, 화학적으로 불활성이며, 기계적으로 강성이고, 고온 내성이고, 물리적 마모에 대한 높은 저항성을 가진다. 스테인레스 강 메쉬 또는 클로쓰가 고표면적 기판으로서 유용하다.An Fe-based N 2 electrocatalytic reduction catalyst film was prepared by electrodepositing Fe onto a commercially available fluorine-doped tin oxide or porous metal (or carbon) substrate. Fluorine-doped tin oxide coated glass is electrically conductive and is ideal for use in a wide range of devices. Fluorine-doped tin oxide is relatively stable at atmospheric conditions, chemically inert, mechanically stiff, high temperature resistant, and highly resistant to physical abrasion. Stainless steel mesh or cloth is useful as a high surface area substrate.

증착 전해질은 10 mM FeSO4, 10 mM NaOH 및 10 mM 시트르산을 포함하였다. 전착을 작업, 상대 및 표준 전극으로서 각각 불소 도핑 산화주석 유리, Ti 메쉬, 및 포화 칼로멜 전극(SCE)을 사용하는 3-극 시스템을 이용하는 포텐시오스탯에 의하여 조절하였다. 이러한 유형의 전형적인 전착은 -1.8V 내지 -0.8V 사이의 순환 전압전류법을 이용하여 수행된다. 흑색의 빛나는 필름이 몇몇 사이클 후 형성되었다. 사이클 횟수 변화는 필름 두께 조절을 허용하며, 전형적인 필름이 20 mV s-1의 스캔 속도에서 10 사이클에 의하여 전착되었다.Depositing electrolyte is contained a 10 mM FeSO 4, 10 mM NaOH and 10 mM citrate. Electrodeposition was controlled by a potentiostat using a three-electrode system using fluorine-doped tin oxide glass, Ti mesh, and a saturated calomel electrode (SCE) as working, counter and standard electrodes, respectively. A typical electrodeposition of this type is performed using a cyclic voltammetric technique between -1.8 V and -0.8 V. A black shiny film was formed after several cycles. The cycle number change allowed for film thickness control, and typical films were electrodeposited by 10 cycles at a scan rate of 20 mV s -1 .

상기 필름을 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 에너지 분산형 X-선 분광분석법(EDX), 및 전기화학 표면적(ECSA) 측정에 의하여 규명하였다.The films were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and electrochemical surface area (ECSA) measurements.

NN 22 캐소드 환원 Cathode reduction

전기화학적 N2 환원을 표준 및 상대 전극으로서 각각 Fe/불소 도핑 산화주석 (또는 다공성 금속) 전극 및 백금 와어이를 이용하여 3-전극 시스템 내에서 수행하였다. 순환 전압전류를 1-구획 셀 내에서 측정한 반면, N2 환원을 글라스 프릿을 구비한 구획 내에서 상대 전극을 분리시킴으로써 분리된 셀 내에서 수행하였다. 전형적인 환원을 -1.2 V vs Pt에서 3 시간 동안 수행하였다.Electrochemical N 2 reduction was performed in a three-electrode system using Fe / fluorine doped tin oxide (or porous metal) electrodes and platinum wire as the standard and counter electrodes, respectively. The cyclic voltammetry was measured in a one-compartment cell, while N 2 reduction was performed in a separate cell by separating the counter electrode in the compartment with the glass frit. A typical reduction was performed at -1.2 V vs Pt for 3 hours.

N2 기체를 워터 트랩을 통하여 버블링하여 전해질 내로 버블링 전에 이를 포화시켰다. 배출 기체 내 운반되는 합성된 암모니아를 상기 기체 스트림을 약산성 용액 (1 mM H2SO4)을 통과시킴으로써 트랩하였다.N 2 gas was bubbled through a water trap to saturate it before bubbling into the electrolyte. The synthesized ammonia carried in the exhaust gas was trapped by passing the gas stream through a slightly acidic solution (1 mM H 2 SO 4 ).

생성물 분석Product analysis

기상의 생성된 암모니아를 버블링하고 1 mM H2SO4 용액을 통하여 수집하였다. 전기환원의 완료 후 이온성 액체 내 남아 있는 암모니아를 상기 이온성 액체를 1 mM KOH를 이용하여 세척함으로써 추출하였다. 총 암모니아 양은 산성 트랩 및 염기성 세척액 내 암모니아의 합이고, 인도페놀 블루 방법을 이용하여 후에 정량되었다.The ammonia produced in the gaseous phase was bubbled and collected through 1 mM H 2 SO 4 solution. Ammonia remaining in the ionic liquid after completion of the electro-reduction was extracted by washing the ionic liquid with 1 mM KOH. The total amount of ammonia was the sum of the ammonia in the acidic trap and the basic wash and was later quantified using the indian phenol blue method.

전형적인 분석에서, 0.5 M 소듐 하이포클로라이트 0.5 ml을 분취액 0.5 ml 내에 첨가한 다음, 5% (중량)의 살리실산 및 5%(중량)의 소듐 시트레이트와 1 M NaOH 0.05 ml, 및 0.5% (중량) 소듐 니트로페리시아나이드 0.01 ml를 첨가하였다. 2 시간 후, 700 nm에서 상기 용액의 흡수를 UV-Vis 분광기 상에서 측정하였다. 상이한 농도의 NH4Cl를 1 mM H2SO4 또는 1mM KOH 용액에 첨가함으로써 대조 실험을 수행하여 상기 분석법을 검증하였다.In a typical assay 0.5 ml of 0.5 M sodium hypochlorite is added to 0.5 ml aliquots followed by addition of 5% (by weight) of salicylic acid and 5% (by weight) of sodium citrate and 0.05 ml of 1 M NaOH, and 0.5% Weight) 0.01 ml of sodium nitroperi- canide was added. After 2 hours, the absorption of the solution at 700 nm was measured on a UV-Vis spectrometer. Control experiments were performed by adding different concentrations of NH 4 Cl to 1 mM H 2 SO 4 or 1 mM KOH solution to verify the assay.

패러데이 효율을 6-전자 공정, 즉The Faraday efficiency is a six-electron process,

N2 + 6e- + 6 H2O

Figure pct00002
2 NH3 + 6 OH- N 2 + 6e - + 6 H 2 O
Figure pct00002
2 NH 3 + 6 OH -

에 근거하여 계산하였다..

도 1은 전력원(1), 캐소드(2), 막(3) 및 애노드(4)를 포함하는, 본 발명에 따른 N2 환원을 위한 전형적인 전기화학 셀을 도시하는 개략도이다. 이 공정에서 상대 전극 반응은 예시되는 바와 같이 물 또는 히드록사이드 산화일 수 있다. 대안적으로, 원하는 생성물이 비료 황산암모늄인 경우, 상대 전극 반응은 SO3 -2에서 SO4 -2일 수 있다. 후자의 이점은 공정의 총 에너지 비용이 산소가 캐소드 반응 생성물일 때보다 낮다는 점이다.Figure 1 is a schematic diagram illustrating a typical electrochemical cell for N 2 reduction according to the present invention, including a power source 1, a cathode 2, a membrane 3 and an anode 4. In this process, the counter electrode reaction may be water or hydroxide oxidation as illustrated. Alternatively, if the desired product is ammonium fertilizer sulfate, the counter electrode reaction may be SO < 4 > -2 at SO < 3 > -2 . The latter advantage is that the total energy cost of the process is lower than when oxygen is the cathode reaction product.

Cell

하이브리드 전극을 기초로 하는 본 발명에 따른 N2 환원 셀이 다음 문단에 기재된다. 이러한 전기분해 셀은, 하나 이상의 기체인 반응물이 전해질 내 낮은 용해도를 가지며 따라서 반응이 주로 하이브리드 전극 몸체 내 3상 경계 (즉, 전극 물질, 기상 및 전해질 사이의 경계)에서 또는 그 근처의 영역 내에서 일어나는 것이 바람직할 때, 전기분해를 최적으로 보조하도록 고안된다.An N 2 reduction cell according to the present invention based on a hybrid electrode is described in the next paragraph. Such an electrolytic cell is characterized in that the reactant, which is one or more gases, has a low solubility in the electrolyte and thus the reaction is mainly carried out in the region of the three-phase boundary in the hybrid electrode body (i.e. the boundary between the electrode material, When it is desired to occur, electrolysis is best assisted.

이러한 본 발명의 하이브리드 전극은 바람직하게, 상기 전극이 높은 전기화학적 활성 표면적을 가지고, 전극 몸체 내에서 기체 접근 및 전해질 접근 모두를 허용하는 복수의 기공들을 가지도록, 임의로 나노구조화된 촉매로 데코레이션된 다공성 전도성 전극 물질을 포함한다.Such a hybrid electrode of the present invention is preferably characterized in that the electrode has a high electrochemically active surface area and has a plurality of pores that allow both gas access and electrolyte access within the electrode body, Conductive electrode material.

본 발명에서, 기체는 하나의 표면에 인접하게 남으며, 하이브리드 전극의 기공은 적어도 부분적으로 이온 전도성 물질로 충전되어, 반응물 및 생성물의 이송이 N2의 NH3로 환원이 일어나는 영역 내에서 일어난다. In the present invention, the gas remains adjacent to one surface, and the pores of the hybrid electrode are at least partially filled with an ion conductive material, so that transfer of reactants and products takes place in the region where reduction of N 2 to NH 3 takes place.

이는 다공성 전극 내에서 기체 확산을 보조하도록 고안되는 종래 기술의 전극의 몇가지 제한들 중 하나를 피한다; 이러한 확산 공정은 작동시 셀 내 바람직하지 않은 과전위 및 비효율성을 창출한다.This avoids one of several limitations of prior art electrodes designed to aid gas diffusion in porous electrodes; This diffusion process creates undesirable over-potential and inefficiencies in the cell during operation.

이러한 구현예에서, 캐소드 작업 전극은, 다공성 금속 막을 형성하고 상기 다공성 구조를 이온 전도성 물질, 예를 들어, Nafion™ 또는 Nafion™ 겔 또는 겔화 액체 염으로 함침시킴으로써 제조되는, 하이브리드 이온-전도성 전극 또는 "전극 막"이다. 상기 캐소드를 전기촉매로 데코레이션하여 전기분해가 일어날 수 있는 기체/전해질/금속 3 상 경계 영역을 형성한다.In this embodiment, the cathode working electrode is a hybrid ion-conducting electrode or " cathode " electrode, which is made by forming a porous metal film and impregnating the porous structure with an ion conductive material, such as Nafion ™ or Nafion ™ gel or gelled liquid salt, Electrode film ". The cathode is decorated with an electrocatalyst to form a gas / electrolyte / metal three-phase boundary region where electrolysis may occur.

반응 기체가 유동 기체로부터 전기촉매로 직접 도입된다. 반응물 또는 생성물 이온이 전극막의 전해질 부분을 통하여 확산되며, 기체 생성물은 유동 기체상 내로 직접 통과한다.The reactive gas is directly introduced into the electrocatalyst from the flowing gas. The reactant or product ions diffuse through the electrolyte portion of the electrode membrane and the gaseous product passes directly into the flowing gas phase.

도 2에 도시되는 바와 같이, 이러한 구현예에 따른 셀은 전해질층(13)에 의하여 분리되는 두 개의 다공성 전극들(11, 12)로 구성된다. 전극(11)은 질소가 환원되는 캐소드 작업 전극이고, 전극(12)은 물 산화 또는 기타 바람직한 산화가 일어나는 상대 전극(애노드)이다. 각각의 전극의 후면 상에, 기체를 셀 안팎으로 전도하는 스페이서 층(14, 15)이 있다.2, the cell according to this embodiment is composed of two porous electrodes 11, 12 separated by an electrolyte layer 13. The porous electrode 11, Electrode 11 is a cathode working electrode where nitrogen is reduced and electrode 12 is a counter electrode (anode) where water oxidation or other desirable oxidation takes place. On the backside of each electrode is a spacer layer 14,15 which conducts gas into and out of the cell.

상기 전극들은 시트 상으로 로딩되고 각각 기체층(14,15)에 직접 노출되는 전기촉매(16)를 가지는 유연성 다공성 전도성 전극 시트 물질의 층들을 포함한다. 임의로, 상기 촉매(16)는 전극(11) 구조 전체를 통하여 증착되어, 기체, 전해질, 촉매 및 전도성 전극이 접촉하는 복수의 영역을 형성할 수 있다. 도전체 시트의 공극률은 바람직하게는 상기 시트가 일면으로부터 다른 한면으로 다공성인 정도이다.The electrodes include layers of flexible porous conductive electrode sheet material having an electrocatalyst 16 loaded onto the sheet and directly exposed to the gas layers 14 and 15, respectively. Optionally, the catalyst 16 may be deposited throughout the structure of the electrode 11 to form a plurality of regions in contact with the gas, the electrolyte, the catalyst, and the conductive electrode. The porosity of the conductor sheet is preferably such that the sheet is porous from one side to the other.

상기 다공성 전도성 전극 물질은 메쉬, 폼 또는 울 형태의 스테인레스 강, 철, 니켈, 구리, 루테늄 또는 그들의 합금과 같은 매크로- 또는 마이크로- 또는 나노-다공성 금속일 수 있다. 탄소 클로쓰, 탄소 입자/바인더 복합체, 그래핀 및 환원된 그래핀 옥사이드 및 전도성 폴리머를 포함하는 다공성 탄소 물질이 또한 다공성 전도성 전극 물질로서 적합하다.The porous conductive electrode material may be a macro- or micro- or nano-porous metal such as stainless steel, iron, nickel, copper, ruthenium or their alloys in mesh, foam or wool form. Porous carbon materials including carbon cloths, carbon particle / binder composites, graphene and reduced graphene oxide and conductive polymers are also suitable as porous conductive electrode materials.

외부 용기가 상기 셀을 둘러싼다. 셀의 일 형태에서, 상기 셀은 롤링 또는 z-폴딩된다.An outer container encloses the cell. In one form of cell, the cell is rolled or z-folded.

본 발명의 추가적 구현예에서, 직렬로 적층된 다수의 셀에 의하여 어셈블리가 형성된다. 이러한 포맷에서, 셀 층들 (18) 내에서 전해질은 서로로부터 분리되어야 하며, 용기(17)는 직렬 접속이 셀들 간에 형성되도록 전도성 물질이다. 적층된 셀들은 또한 폴딩 또는 롤링될 수 있다.In a further embodiment of the invention, an assembly is formed by a plurality of cells stacked in series. In this format, the electrolytes in the cell layers 18 must be separated from each other, and the container 17 is a conductive material such that a series connection is formed between the cells. The stacked cells may also be folded or rolled.

전해질은 스페이서를 포함하거나, 또는 전해질 막, 예를 들어, Nafion™ 또는 겔화 Nafion™ 또는 겔화 액체 염 전해질을 포함하는 폴리머 전해질, 또는 배터리 분야에 잘 알려진 페이퍼 또는 Celeguard™ 타입 물질과 같은 다공성 세퍼레이터 내로 침지된 전해질 형태일 수 있다.The electrolyte may comprise a spacer or a polymer electrolyte, for example a polymer electrolyte comprising a Nafion (TM) or gelling Nafion (TM) or gelled liquid salt electrolyte, or a paper or Celeguard (TM) type material well known in the battery art, Lt; / RTI > electrolyte.

일 형태의 어셈블리에서, 상기 층들(11, 13 및 12)은 함께 압착된 다음, 전해질이 원 위치에서 겔화되어 자가 부착 어셈블리를 생산한다.In one form of assembly, the layers 11, 13 and 12 are squeezed together and then the electrolyte is gelled in situ to produce a self-assembling assembly.

기체 유동층(14)은 질소 및 수증기를 함유하는 유동 기체 스트림의 도입을 허용하는 기능을 가진다. 배출 기체는 암모니아를 함유하고, 이는 임의로 셀 밖에서 트랩된다.The gas fluidized bed 14 has the function of allowing introduction of a flowing gas stream containing nitrogen and water vapor. The exhaust gas contains ammonia, which is optionally trapped outside the cell.

상기 기체 유동층(15)은 기체 반응물 또는 셀의 그 면 상에서 생산된 생성물의 유입 또는 배출을 허용하도록 고안되고, 임의로 공기 또는 다른 기체의 흐름이 도입되어 셀 밖으로 상기 기체를 희석 및 운반할 수 있다. 상기 기체 유동층(14, 15)은 고다공성 세퍼레이터 또는 메쉬를 이용하여, 또는 층(17)의 한 면 또는 양 면 상에 패턴을 인쇄 또는 형성함으로써 형성될 수 있다.The gas fluidized bed 15 is designed to allow for the ingress or egress of gas reactants or products produced on that side of the cell and optionally a stream of air or other gas may be introduced to dilute and carry the gas out of the cell. The gas fluidized bed 14, 15 may be formed by printing or forming a pattern using a high porosity separator or mesh, or on one or both sides of the layer 17.

적층된 셀의 어셈블리 내에서, 기체는 상기 어셈블리의 최장 규모의 "말단"으로부터 또는 어셈블리의 양면으로부터를 포함하는 임의의 편리한 위치에서 도입될 수 있다. 이러한 배열 각각은 층들(17)의 대안적 밀봉 배열을 요한다.Within the assembly of stacked cells, gas may be introduced at any convenient location, including from the longest " end " of the assembly or from both sides of the assembly. Each of these arrangements requires an alternative sealing arrangement of the layers 17.

전체 어셈블리는 1 mm와 같이 작은 두께일 수 있고, 그 표면적을 최대화하고 전해질 물질 양을 최소화하는 것이 요구된다. The entire assembly can be as small as 1 mm thick, and it is required to maximize its surface area and minimize the amount of electrolyte material.

실시예 1. 나노구조화된 Fe 촉매의 제조Example 1. Preparation of nanostructured Fe catalyst

다음 실시예는 본 발명에 사용하기에 적합한 나노구조화된 촉매의 제조를 기재한다. 불소 도핑 산화주석 전극 (5 x 5 mm)을 전기화학 셀 내에 놓고 캐소드로서 접속하였다. 표준 칼로멜 전극(SCE)이 표준 전극으로 작동하였고, Ti 메쉬가 상대 전극으로 작동하였다. 촉매 제조를 위한 전해질 용액은 물 내 10 mM FeSO4, 10mM NaOH, 및 10 mM 시트르산을 포함하였다.The following examples describe the preparation of nanostructured catalysts suitable for use in the present invention. A fluorine doped tin oxide electrode (5 x 5 mm) was placed in the electrochemical cell and connected as a cathode. A standard calomel electrode (SCE) acted as a standard electrode, and a Ti mesh acted as a counter electrode. Electrolyte solution for catalyst preparation are included in the 10 mM FeSO 4, 10mM NaOH, 10 mM citric acid and water.

불소 도핑 산화주석 전극의 전위를 20 mV/s에서 10 사이클 동안 -0.8에서 -1.8 V vs SCE 사이에서 순환함으로써 Fe의 전착을 수행하였다. 전착된 Fe 나노구조화된 층은 불소 도핑 산화주석 위에 나노입자를 포함하는 다공성 흑색층으로서 보였다. 증착된 물질은 주로 금속성 Fe로 구성되며, 부분적으로 산화된 철이 균일하게 분포한다 (10% 산화물). 상기 산화철은 증착 사이클의 애노드 부분 동안 형성된다. 산화철의 형성은 철 나노입자 크기를 조절할 수 있다. 산화철은 암모니아 생산에서 캐소드로서 사용의 초기 단계 동안 적어도 부분적으로 환원된다. 상기 Fe/FeOxide 복합체는 철의 두 가지 산화 상태의 상승 효과를 통하여 촉매 활성을 증진시킬 수 있다.Electrodeposition of Fe was performed by circulating the potential of the fluorine doped tin oxide electrode between -0.8 to -1.8 V vs SCE for 10 cycles at 20 mV / s. The electrodeposited Fe nanostructured layer appeared as a porous black layer containing nanoparticles on fluorine doped tin oxide. The deposited material consists mainly of metallic Fe, with partially oxidized iron being uniformly distributed (10% oxide). The iron oxide is formed during the anode portion of the deposition cycle. Formation of iron oxide can control iron nanoparticle size. Iron oxide is at least partially reduced during the early stages of use as the cathode in ammonia production. The Fe / FeOxide composite can enhance the catalytic activity through the synergistic effect of the two oxidation states of iron.

실온에서 부틸 메틸피롤리디늄 eFAP 액체 염 내에서 5 mV/s에서 순환 전압전류법에 의하여 0 V vs Pt에서 이중층 충전 전류를 측정함으로써 전기화학 표면적을 측정하였다. 2 mF/cm2의 이중층 용량이 이러한 조건 하에 측정되었다.The electrochemical surface area was measured by measuring the double layer charge current at 0 V vs Pt by cyclic voltammetry at 5 mV / s in butyl methylpyrrolidinium eFAP liquid salt at room temperature. A bilayer capacity of 2 mF / cm < 2 > was measured under these conditions.

실시예 2. [PExample 2. Preparation of [P 6,6,6,146,6,6,14 ][eFAP] 내 N] [eFAP] My N 22 의 환원Reduction of

Fe 전기촉매 층을 가지는 불소 도핑 산화주석 전극을 전기화학 셀 내에서 캐소드로서 놓았다. 상기 전해질은 액체 염 [P6,6,6,14 ][eFAP]을 포함하였다. 상기 전해질을 1 mM 수성 KOH 용액과 함께 흔들어 사용 전 미리 조절하였다. 상기 수용액은 과량의 용액이 분리 깔때기 내에서 분리층으로서 제거될 수 있을 정도로 상기 액체 염 내 난용성이었다.A fluorine doped tin oxide electrode having a Fe electrocatalyst layer was placed as a cathode in an electrochemical cell. The electrolyte contained a liquid salt [P 6,6,6,14 ] [eFAP]. The electrolyte was shaken with 1 mM aqueous KOH solution and adjusted before use. The aqueous solution was insoluble in the liquid salt such that an excess of the solution could be removed as a separation layer in the separation funnel.

상기 사전 조절은 전해질 내 소정의 양성자 활성을 제공하는 소량의 OH-를 상기 염 내로 도입할 수 있다.The preconditioning may introduce a small amount of OH < - > into the salt to provide the desired protonic activity in the electrolyte.

상대 전극(Pt)을 포화된 액체 염을 또한 함유하는 프릿화된 구획 내에 놓았다. 표준 전극은 Pt이다. 10 ml/min에서, N2 버블을 캐소드로 유도하는 버블러를 이용하여 이질소 기체를 셀 내로 도입하였다. 상기 이질소를 낮은 수증기 압력의 용액을 통하여 버블링함으로써 물로 예비 포화하였다.The counter electrode Pt was placed in a fritted compartment also containing a saturated liquid salt. The standard electrode is Pt. At 10 ml / min, the heterogeneous gas was introduced into the cell using a bubbler which led the N 2 bubbles to the cathode. The nitrogen was pre-saturated with water by bubbling through a solution of low water vapor pressure.

셀로부터 흐르고 미반응 이질소 및 환원 생성물을 함유하는 배출 기체를 1 1mM H2SO4를 함유하는 추가의 트랩 내로 유도하여, NH4 +로서 생산된 암모니아를 트랩하였다. 상기 용액을 전기분해 후반에 암모니아에 대하여 분석하였다.The exhaust gas flowing from the cell and containing unreacted nitrogen and reduction products was led into an additional trap containing 1 1 mM H 2 SO 4 to trap ammonia produced as NH 4 + . The solution was analyzed for ammonia in the second half of the electrolysis.

전기분해를 -1.0 내지 -2.0 V 사이의 전압에서 2 내지 5 시간 동안 수행하였다. 전기분해 후반에, 전해질을 1 mM KOH 용액으로 3회 세척하여 임의의 남아 있는 암모니아를 추출하였다. 3회 세척액을 또한 암모니아에 대하여 분석하였다. 그 결과를 트랩 용액 분석으로부터의 결과와 조합하였다. 패러데이 효율은 73% (+/-5%)였다.The electrolysis was carried out at a voltage between -1.0 and -2.0 V for 2 to 5 hours. In the latter half of the electrolysis, the electrolyte was washed three times with 1 mM KOH solution to extract any remaining ammonia. Three washings were also analyzed for ammonia. The results were combined with the results from the trap solution analysis. The Faraday efficiency was 73% (+/- 5%).

상기 용액을 또한 히드라진에 대하여 분석하였으나, 히드라진은 검출되지 않았다 (LOD = 5 ㎛ol/L에서).The solution was also analyzed for hydrazine, but no hydrazine was detected (at LOD = 5 μmol / L).

실시예 3: [CExample 3: [C 44 mpyr][eFAP] 내 Nmpyr] [eFAP] N 22 의 환원Reduction of

N2 환원을 전해질이 액체 염 [C4mpyr][eFAP]을 포함하는 것을 제외하고 실시예 2에 기재된 것과 같이 수행하였다. 패러데이 효율은 이 경우 47% (+/-5%)였다.N 2 reduction was performed as described in Example 2 except that the electrolyte contained a liquid salt [C 4 mpyr] [eFAP]. Faraday efficiency was 47% (+/- 5%) in this case.

실시예 4: [PExample 4: [P 6,6,6,146,6,6,14 ][F ] [F 99 CC 44 SOSO 33 ]] 내 NMy N 22 의 환원Reduction of

실시예 2와 동일한 방법에 따라 수행하였으며, 전해질은 액체 염 [P6,6,6,14][F9C4SO3]을 포함하였다. 4 uA cm-2의 정전류를 2 시간 동안 인가하였다. 암모니아 측정은 암모니아에 대한 패러데이 효율이 51%임을 보였다. Was carried out in the same manner as in Example 2, and the electrolyte contained a liquid salt [P 6,6,6,14 ] [F 9 C 4 SO 3 ]. A constant current of 4 uA cm -2 was applied for 2 hours. Ammonia measurements showed that the Faraday efficiency for ammonia was 51%.

실시예 5: [PExample 5: Preparation of [P 6,6,6,146,6,6,14 ][PFO] 내 N ] [PFO] My N 22 의 환원Reduction of

실시예 2와 동일한 방법에 따라 수행하였으며, 전해질은 액체 염 [P6,6,6,14] [PFO]을 포함하였다. 4 uA cm-2의 정전류를 2 시간 동안 인가하였다. 암모니아 측정은 암모니아에 대한 패러데이 효율이 39%임을 보였다. Was carried out in the same manner as in Example 2, and the electrolyte contained a liquid salt [P 6,6,6,14 ] [PFO]. A constant current of 4 uA cm -2 was applied for 2 hours. The ammonia measurement showed a Faraday efficiency of 39% for ammonia.

실시예 6: 음파처리 보조 NExample 6: Sound wave processing assistant N 22 환원 restoration

다음 실시예는 부가적인 물리적 및/또는 화학적 공정을 포함시킴으로써 증가된 암모니아 생산을 예시한다.The following examples illustrate increased ammonia production by including additional physical and / or chemical processes.

실시예 2와 동일한 절차에 따라 수행하였으며, 전체 전기화학 셀을 소니케이터 배스 내로 침지하였다. -1.2 V vs NHE의 정전위를 30 분 동안 작업 전극 상에 인가하였으며, 음파를 전기화학 셀에 가하여 N2 환원을 촉진시켰다. 전류가 음파처리 존재 하에 이전의 값과 비교하여 대략 125% 증가하였다. The same procedure as in Example 2 was followed, and the entire electrochemical cell was immersed in a sonicator bath. The electrostatic potential of -1.2 V vs NHE was applied on the working electrode for 30 min and the N 2 reduction was promoted by applying the acoustic wave to the electrochemical cell. The current increased approximately 125% compared to the previous value in the presence of sonication.

실시예 7: 분자성 액체 성분의 존재 하에 NExample 7: Preparation of N < RTI ID = 0.0 > 22 의 환원Reduction of

앞서 언급한 바와 같이, 전해질은 2 이상의 염의 조합에 의하여 원하는 특징의 액체 염을 형성할 수 있다. 또한, 액체 염은 다음 실시예들에 의하여 예시되는 바와 같이 물 또는 기타 분자성 액체를 포함하는 부가적 성분을 함유할 수 있다.As noted above, the electrolyte can form liquid salts of the desired characteristics by combination of two or more salts. In addition, the liquid salt may contain additional ingredients, including water or other molecular liquids, as illustrated by the following examples.

실시예 3과 동일한 방법에 따라 수행하였으며, 트리플루오로톨루엔 10% v/v를 추가 성분으로서 전해질 내로 첨가하여 액체 염의 점도를 감소시키고 전기화학 반응에서 물질 수송을 촉진시켰다. -1.2V vs NHE의 정전위를 30 분 동안 인가하였다. 전류가 트리플루오로톨루엔 부재시 값과 비교하여 50% 증가한다.Was carried out in the same manner as in Example 3, and 10% v / v trifluoro toluene was added into the electrolyte as an additional component to reduce the viscosity of the liquid salt and promote the material transport in the electrochemical reaction. A constant potential of -1.2V vs NHE was applied for 30 minutes. The current is increased by 50% compared to the value in the absence of trifluoro toluene.

실시예 8: [CExample 8: Preparation of [C 44 mpyr][퍼플루오로부탄술포네이트] mpyr] [perfluorobutanesulfonate]

[C4mpyr][퍼플루오로부탄술포네이트]는 상승된 융점(112℃)을 가지며, 그 이상의 온도에서 N2 환원을 위하여 사용될 수 있었다. 융점은 또한 실시예 7에 기재된 바와 같은 분자성 액체 성분의 첨가에 의하여 낮출 수 있다.[C 4 mpyr] [perfluorobutanesulfonate] has an elevated melting point (112 ° C) and could be used for N 2 reduction at temperatures above that. The melting point can also be lowered by the addition of a molecular liquid component as described in Example 7.

실시예 9: [CExample 9: Preparation of [C 44 mpyr][PFO] mpyr] [PFO]

[C4mpyr][PFO]는 상승된 융점(87℃)을 가지며, 그 이상의 온도에서 N2 환원을 위하여 사용될 수 있었다. 융점은 또한 실시예 7에 기재된 바와 같은 분자성 액체 성분의 첨가에 의하여 낮출 수 있다. [C 4 mpyr] [PFO] has an elevated melting point (87 ° C) and could be used for N 2 reduction at higher temperatures. The melting point can also be lowered by the addition of a molecular liquid component as described in Example 7.

실시예 10: 액체 염을 함유하는 겔 막을 포함하는 전해질의 제조 및 사용Example 10: Preparation and use of an electrolyte comprising a gel membrane containing a liquid salt

앞서 기재한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 전해질은 스페이서 또는 그 자체로 전해질인 전해질 막. 예를 들어, Nafion™ 또는 겔화 액체 염 전해질과 같은 폴리머 전해질을 포함하거나, 페이퍼 또는 Celeguard™와 같은 다공성 세퍼레이터 내로 침지된 전해질일 수 있다. 실시예 10에 기재되는 절차는 PVDF-HFP 코폴리머 겔 전해질 막의 제조의 예시이나, 액체 염을 함유하는 임의의 겔 막의 제조에 보다 일반적으로 사용될 수 있다.As described above, the electrolyte used in the present invention is a spacer or an electrolyte membrane itself. For example, a polymer electrolyte, such as Nafion (TM) or a gelled liquid salt electrolyte, or an electrolyte immersed in a paper or porous separator such as Celeguard (TM). The procedure described in Example 10 is illustrative of the preparation of a PVDF-HFP copolymer gel electrolyte membrane, but more generally can be used for the preparation of any gel membrane containing a liquid salt.

PVDF-HFP 코폴리머 겔 전해질 막을 다음과 같이 실시예 3에 기재된 액체 염을 사용하여 제조하였다. 9 대 1 중량비의 액체 염 대 코폴리머를 디메틸포름아미드 내에 용해하고 약간 가열하였다. 상기 용액을 Solupour™ 막의 34 mm 직경 원 상에 스프레드하고 건조되도록 두었다. 건조 후, 막 바깥쪽의 과량의 겔을 제거하였다.A PVDF-HFP copolymer gel electrolyte membrane was prepared using the liquid salt described in Example 3 as follows. A 9: 1 weight ratio of liquid salt to copolymer was dissolved in dimethylformamide and heated slightly. The solution was spread on a 34 mm diameter circle of Solupour ™ membrane and allowed to dry. After drying, the excess gel on the outside of the membrane was removed.

기체 유동 셀을 탄소 페이퍼/백금화 탄소 애노드, 막 및 스테인레스 강 메쉬(400 메쉬) 상에 전착된 Fe 캐소드로 작제하였다. 수소 기체를 상기 기체 유동 셀의 애노드 면에 도입하고 질소 기체를 각각 180 mL/min의 속도로 캐소드 면을 통하여 통과시켰다. 상기 셀 내부의 기체 압력은 1 대기압이었다. 애노드에 대한 -1.2V의 정전위를 30 분 동안 캐소드에 인가하였다.Gas flow cells were fabricated as electrodeposited Fe cathodes on carbon paper / plated carbon anodes, membranes and stainless steel mesh (400 mesh). Hydrogen gas was introduced into the anode side of the gas flow cell and nitrogen gas was passed through the cathode surface at a rate of 180 mL / min each. The gas pressure inside the cell was 1 atmospheric pressure. A constant potential of -1.2 V for the anode was applied to the cathode for 30 minutes.

상기 셀을 통하여 흐르는 기체를 조합하고 1 mM H2SO4의 40 mL 용액을 통하여 버블링 한 다음 1 mM H2SO4의 20 mL 용액을 통하여 버블링하였다. 상기 기체를 전위 인가 기간을 통하여 및 그것이 종료된 후 30 분 동안 버블링하였다. Combining the gas flowing through the cell, which was bubbled through 20 mL of a solution bubbled through the solution 40 mL of 1 mM H 2 SO 4, and then 1 mM H 2 SO 4. The gas was bubbled through the potential application period and 30 minutes after it was terminated.

전위 인가 30 분에 걸쳐 생산된 암모니아는 24.9% 패러데이 효율로 87.0 nmoles였다.Ammonia produced over a 30 minute period with potentials was 87.0 nmoles with 24.9% Faraday efficiency.

실시예 11: 프리스탠딩 막으로서 사용하기에 적합한 [CExample 11: Preparation of [C 44 mpyr][eFAP] 액체 염을 함유하는 겔 막의 제조 및 사용 mpyr] [eFAP] Preparation and use of gel membranes containing liquid salts

액체 염 대 폴리머 비를 7:3 중량비로 하였으며 용액을 주조하여 프리스탠딩 막을 형성한 것을 제외하고, 실시예 10과 동일하게 막을 제조하였다. 전위 인가 30 분에 걸쳐 생산된 암모니아는 71.5% 패러데이 효율로 59.5 nmoles였다.The liquid salt to polymer ratio was adjusted to 7: 3 by weight, and a film was prepared in the same manner as in Example 10, except that the solution was cast to form a free standing film. Ammonia produced over 30 minutes with potentials was 59.5 nmoles with 71.5% Faraday efficiency.

실시예 12: [CExample 12: Preparation of [C 44 mpyr][eFAP] 액체 염을 함유하는 Nafion™ 겔 막의 제조 및 사용mpyr] [eFAP] Preparation and use of Nafion ™ gel membranes containing liquid salts

전해질이 Nafion™-겔 막을 포함하였으며 다음 실시예에 기재된 바와 같이 제조된 것을 제외하고, 실시예 10에 기재된 바에 따라 셀을 제작하였다.A cell was prepared as described in Example 10, except that the electrolyte contained a Nafion ™ -gel membrane and was prepared as described in the following examples.

Aldrich에 의하여 공급되는, 저급 지방족 알콜 및 물 내에서 [C4mpyr][eFAP] 9 부 및 Nafion 5 w/w% 용액 20 부를 혼합함으로써, 1 대 9 중량비의 Nafion™ 및 [C4mpyr][eFAP]을 함유하는 용액을 제조하였다. 이를 34 mm 직경 Solupour™ 막 위로 떨어뜨려 막 위에 용액의 완전한 커버리지를 달성하였다. 다음, 이를 60℃에서 오븐 내에서 밤새 건조하였다. 기체 유동 셀을 캐소드 및 애노드 사이에 이러한 Nafion™-겔 막을 이용하여 제작하였다. 생산된 암모니아는 30.6% 패러데이 효율로 93.1 mnoles로 밝혀졌다.In a lower aliphatic alcohol and water, supplied by Aldrich [C 4 mpyr] [eFAP ] 9 unit and Nafion 5 w / w%, by mixing a solution of 20 parts of 1: 9 weight ratio of Nafion ™ and [C 4 mpyr] [ eFAP] was prepared. This was dropped onto a 34 mm diameter Solupour ™ membrane to achieve complete coverage of the solution on the membrane. It was then dried overnight in an oven at 60 < 0 > C. A gas flow cell was fabricated between the cathode and anode using this Nafion ™ -gel membrane. The produced ammonia was found to be 93.1 mnoles with a 30.6% Faraday efficiency.

실시예 13: 액체 염을 함유하는 Nafion™ 겔 막을 포함하는 프리스탠딩 전해질 막의 제조 및 사용Example 13: Preparation and use of a free standing electrolyte membrane comprising a Nafion (TM) gel membrane containing a liquid salt

막이 Nafion™-겔 막인 것을 제외하고 실시예 11에 기재된 바와 같이 셀을 제작하였다. 막을 다음과 같이 제조하였다. Nafion™ 및 액체 염의 3 대 7 중량비 혼합물을 실시예 12에 기재된 바와 같이 제조하고 드롭캐스트하였다. 다음, 이를 60℃ 오븐 내에서 밤새 건조하였다.The cell was prepared as described in Example 11 except that the membrane was a Nafion ™ -gel membrane. The membrane was prepared as follows. A 3 to 7 weight ratio mixture of Nafion ™ and liquid salt was prepared and dropped cast as described in Example 12. Next, it was dried overnight in a 60 ° C oven.

전해질 막을 위한 지지체로서 Solupour™를 제외하거나 또는 다른 지지체들을 사용하는 것과 같이, 상기한 셀의 추가적 변형이 행하여질 수 있음이 당업자에게 분명할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that additional modifications of the above-described cells can be made, such as by excluding Solupour ™ as a support for the electrolyte membrane or using other supports.

실시예 14: [P6,6,6,14][PFB] 내 NExample 14: [P6,6,6,14] [PFB] N 22 의 환원Reduction of

실시예 3과 동일한 방법을 따라 수행하였으며, [P6,6,6,14][PFB]를 액체 염 전해질로서 사용하였다. 0.8 V vs NHE의 정전위를 3 시간 동안 인가하였다. 이 시스템 내 암모니아 생산의 패러데이 효율은 18%였다.[P 6,6,6,14 ] [PFB] was used as a liquid salt electrolyte. The electrostatic potential of 0.8 V vs NHE was applied for 3 hours. The Faraday efficiency of ammonia production in this system was 18%.

실시예 15: Ru 촉매 상에서 NExample 15: Preparation of N 22 의 환원Reduction of

실시예 3과 동일한 방법을 따라 수행하였으며, 루테늄 필름을 작업 전극 위에 증착하였다. -0.8 V vs NHE의 정전위를 30 분 동안 작업 전극 상에 인가하였다. 전류 밀도는 실시예 3의 대략 두 배였다. 암모니아 측정은 이 시스템 내 암모니아 생산에 대한 패러데이 효율이 28%였음을 보인다.The procedure of Example 3 was followed and a ruthenium film was deposited on the working electrode. A static potential of -0.8 V vs NHE was applied on the working electrode for 30 minutes. The current density was about twice that of Example 3. Ammonia measurements show that the Faraday efficiency for ammonia production in this system was 28%.

기타 전극 기판의 사용Use of other electrode substrates

편평 불소 도핑 산화주석 유리 기판 상에서 얻어지는 N2 환원 전류는 너무 작아 실행할 수 없으므로, 니켈 폼, 스테인레스 강 메쉬와 같은 다양한 고표면적 및 다공성 기판을 사용하여 작업 전기화학 표면적을 증가시켰다. 다공성 기판 사용시 전류 밀도가 증가하였으며, 예를 들어, 전류는 불소 도핑 산화주석의 경우 0.012 A.m-2에서 스테인레스 강 메쉬의 경우 0.1 A.m-2로, 니켈 폼의 경우 0.25 A.m-2로 증가하며, 패러데이 효율은 각각 59% 및 45%에 해당한다. 증가된 전류로 인하여, 생산 속도가 불소 도핑 산화주석 기판 상에서 2.9 mg.m-2 h-1로부터 스테인레스 강 기판 상에서 14 mg.m-2 h-1로 현저기 증가한다. 여기서 사용된 스테인레스 강 캐소드는 다소 얇으며 유연성이어서, 캐소드 두께를 최적화함으로써 수율을 더욱 증가시키고 고표면적 박층 또는 스파이럴형 셀 구조를 실행할 상당한 기회가 있음을 주목하는 것이 중요하다.The N 2 reduction current obtained on the flat fluorine doped tin oxide glass substrate was too small to be implemented and thus increased the working electrochemical surface area using various high surface area and porous substrates such as nickel foam and stainless steel mesh. The current density increased when using a porous substrate, for example, the current increased from 0.012 Am -2 for fluorine doped tin oxide to 0.1 Am -2 for stainless steel mesh and 0.25 Am -2 for nickel foam, The efficiencies correspond to 59% and 45%, respectively. Due to the increased current, the production rate increases from 2.9 mg.m -2 h -1 on a fluoro-doped tin oxide substrate to 14 mg.m -2 h -1 on a stainless steel substrate. It is important to note that the stainless steel cathode used here is somewhat thin and flexible, so there is a significant opportunity to further increase the yield by optimizing the cathode thickness and to perform a high surface area thin layer or spiral cell structure.

[P6,6,6,14][eFAP]와 비교하여, [C4mpyr][eFAP] 액체 염은 더 높은 전류를 생산한다. 이는 아마도 반응 중 더 나은 물질 확산을 촉진하는 그의 더 낮은 점도로 인한 것이다. [C4mpyr][eFAP] 이온성 액체 내 N2 용해도 0.20 mg/g는 [P6,6,6,14][eFAP] 내 0.28 mg/g 보다 낮으므로, 예측되는 바와 같이, [C4mpyr][eFAP] 내 스테인레스 강 전극에 대한 N2 환원의 패러데이 효율은 약간 더 낮다. 그럼에도 불구하고, 수율은 [C4mpyr][eFAP]에서 더 높다.[P 6,6,6,14 ] Compared to [eFAP], the [C 4 mpyr] [eFAP] liquid salt produces higher currents. This is probably due to its lower viscosity, which promotes better material diffusion during the reaction. [C 4 mpyr] [eFAP] ionic liquid solubility in N 2 0.20 mg / g is [P 6,6,6,14] [eFAP] is lower than that in the 0.28 mg / g, as predicted, [C 4 mpyr] [eFAP] The Faraday efficiency of N 2 reduction for the stainless steel electrodes is slightly lower. Nevertheless, the yield is higher in [C 4 mpyr] [eFAP].

선택된 이온성 액체 내 N2의 높은 용해도의 이유를 DFT 계산에 의하여 추가로 조사한다. N2와 다양한 통상적인 음이온의 상호 작용은 Cl-과 같은 이온 및 BF4 - 및 PF6 -와 같은 불화 음이온과 상대적으로 약하다. 한편, [eFAP]와 상호작용은 분명히 더 강하다.The reason for the high solubility of N 2 in the selected ionic liquid is further investigated by DFT calculation. The interaction of N 2 with various conventional anions is relatively weak with ions such as Cl - and fluoride anions such as BF 4 - and PF 6 - . On the other hand, the interaction with [eFAP] is obviously stronger.

이론에 구애되고자 하지 않으나, 계산에서 두 가지 모드가 구분될 수 있다; 첫번째는 알킬 사슬에 부착되는 F-원자와 상호작용하는 N2를 드러내고, 두번째는 인과결합하는 F 원자와 상호작용하는 N2를 가지며, 후자가 더 강한 상호작용이다. 모든 계산으로부터, 전하가 인접하는 기들로 더 강하게 비편재화될수록, N2 결합 상호작용이 더 강한 것으로 보인다. 이러한 eFAP 착체 내 결합 에너지와 PF6 -와의 결합 에너지 사이의 구분은 현저하다; eFAP의 경우, 세 개의 C2F5 기들 상으로 전하의 부가적인 비편재화가 P-결합된 불소 상의 전하를 조절하며, 이에 따라 N2와의 상호작용을 증진시킨다. 양이온을 이러한 계산에 도입하면, 음이온과 양이온 간의 추가적인 전하 상호작용으로 인하여 상호작용이 훨씬 더 강해진다. While not intending to be bound by theory, two modes of computation can be distinguished; The first is exposed to N 2 to interact with F- atom attached to the alkyl chain, the second one has a N 2 interacting with the F atoms bonded phosphorus, the latter is a stronger interaction. From all of the calculations, the more stronger delocalized in groups to the neighboring charge, N 2 appears to have a stronger binding interaction. The distinction between this binding energy in the eFAP complex and the binding energy of PF 6 - is significant; In the case of eFAP, the additional delimitation of the charge on the three C 2 F 5 groups modulates the charge on the P-bonded fluorine, thereby enhancing the interaction with N 2 . When introducing cations into these calculations, the interaction is much stronger due to the additional charge interactions between the anions and the cations.

비교예Comparative Example

종래 기술은 액체 염을 포함하는 전해질의 사용에 대한 일반적 개시를 포함하나, 이들 전해질 중 많은 것들이 본 발명의 방법에 따른 이질소의 환원에 부적합하고 및/또는 수긍할 수 없게 낮은 패러데이 효율을 가진다.The prior art includes a general disclosure of the use of electrolytes comprising liquid salts, but many of these electrolytes are not suitable for the reduction of nitrogen oxides according to the process of the present invention and / or have unacceptably low paradigm efficiencies.

이는 예를 들어 미국 특허 출원 제 2016/0138176호 (Yoo et al)를 참조로 예시될 수 있으며, 상기 문헌은 수성 또는 특정 알칼리 금속(염)의 액체 전해질 또는 이온성 액체를 함유하는 전기분해 셀을 이용하여 암모니아를 합성하는 방법을 기재한다. 특히, 비교예 16 및 17은 US 2016/0138176에 개시된 염에 관한 것이나, 본 발명의 방법에서, 비교예 16의 염은 수긍할 수 없게 낮은 패러데이 효율을 초래하고, 비교예 17의 염은 불안정하게 된다.This can be illustrated, for example, with reference to U.S. Patent Application No. 2016/0138176 (Yoo et al), which discloses an electrolytic cell containing an aqueous or a specific alkali metal (salt) liquid electrolyte or ionic liquid A method for synthesizing ammonia will be described. In particular, Comparative Examples 16 and 17 relate to the salts disclosed in US 2016/0138176, but in the process of the present invention, the salts of Comparative Example 16 result in unacceptably low Faraday efficiencies, and the salts of Comparative Example 17 are unstable do.

비교예 18은 특정 이온성 염이 본 발명의 방법에 사용될 때 불안정하게 되며 그 이유로 부적합함을 더 일반적으로 예시한다.Comparative Example 18 more generally illustrates that certain ionic salts become unstable when used in the process of the present invention and are therefore unsuitable for that reason.

비교예 16: [HMIM][NTfComparative Example 16: [HMIM] [NTf 22 ] 내 N] My N 22 의 환원 Reduction of

액체 염이 전해질 [HMIM][NTf2]을 포함하고 작업 전극이 실시예 1의 촉매를 사용한 것을 제외하고, 실시예 2에 기재된 바와 같이 N2 환원을 수행하였다. 이온성 액체는 일반적으로 <100℃의 융점을 가지는 염으로 간주되므로, [HMIM][NTf2]는 이온성 액체로 간주될 수 있다. 이러한 염의 융점은 약 70℃이므로, 환원은 액체 상태에서 70℃에서 수행되었다.N 2 reduction was performed as described in Example 2, except that the liquid salt contained the electrolyte [HMIM] [NTf 2 ] and the working electrode used the catalyst of Example 1. Since an ionic liquid is generally regarded as a salt having a melting point of < 100 캜, [HMIM] [NTf 2 ] can be regarded as an ionic liquid. Since the melting point of this salt is about 70 캜, the reduction was carried out at 70 캜 in a liquid state.

이 경우 패러데이 효율은 단지 0.64%였다.In this case, the Faraday efficiency was only 0.64%.

비교예 17: [EMIM][B(CN)Comparative Example 17: [EMIM] [B (CN) 44 ] 내 N] My N 22 의 환원 Reduction of

전해질이 액체 염 [EMIM][B(CN)4]을 포함하고 작업 전극이 실시예 1의 촉매를 사용한 것을 제외하고, 실시예 2에 기재된 바와 같이 N2 환원을 수행하였다.N 2 reduction was performed as described in Example 2, except that the electrolyte contained a liquid salt [EMIM] [B (CN) 4 ] and the working electrode used the catalyst of Example 1.

이 경우 패러데이 효율은 단지 14%였다. 그러나, N2 피드를 대신하여 셀에 아르곤 기체 피드를 사용하였을 때 동일한 패러데이 효율이 측정되었다. 후자의 경우 암모니아가 공급된 N2로부터 생산되지 않으므로, 액체 염을 포함하는 전해질의 분해에 의하여 형성되며, 이는 시아노기 함유 액체 염이 전해질로 사용될 때 이러한 조건 하에 환원에 대하여 안정하지 않음을 나타낸다.In this case the Faraday efficiency was only 14%. However, the same Faraday efficiency was measured when an argon gas feed was used in place of the N 2 feed. In the latter case, ammonia is not produced from the supplied N 2 and is formed by the decomposition of an electrolyte comprising a liquid salt, which indicates that the cyano group-containing liquid salt is not stable to reduction under these conditions when used as an electrolyte.

비교예 18: [EMIM][eFAP] 내 NComparative Example 18: [EMIM] [eFAP] N 22 의 환원 Reduction of

전해질이 액체 염 [EMIM][eFAP]을 포함하고 작업 전극이 실시예 1의 촉매를 사용한 것을 제외하고, 실시예 2에 기재된 바와 같이 N2 환원을 수행하였다.N 2 reduction was performed as described in Example 2, except that the electrolyte contained the liquid salt [EMIM] [eFAP] and the working electrode used the catalyst of Example 1.

암모니아 생산 측정은 아르곤 및 N2 포화 전해질 모두 암모니아 (또는 검출가능한 아민)를 생산하며, 패러데이 효율%는 각각 35% 및 16%임을 보인다. 이는 전기분해 중 이온성 액체가 분해되어 아민 생성물 및 암모니아를 생산함을 나타낸다. 이러한 액체 염은 따라서 암모니아로 질소 환원에 적합하지 않다.Ammonia production measurements yield ammonia (or detectable amines) for both argon and N 2 saturated electrolytes, with the% Faraday efficiency of 35% and 16%, respectively. This indicates that during electrolysis the ionic liquid is decomposed to produce amine products and ammonia. These liquid salts are therefore not amenable to nitrogen reduction with ammonia.

본 발명은 특정 구현예에 대하여 기재되었으나, 추가적인 변경(들)이 가능한 것으로 이해될 것이다. 본원은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지의 또는 통상적인 실행 범위 안에 있으며, 앞서 본원에 기재한 필수적 특징들에 적용될 수 있는, 일반적으로 본 발명의 원리를 따르고 본원 개시로부터 출발을 포함하는 본 발명의 변경, 용도 또는 적응을 포함하는 것으로 의도된다. While the invention has been described with respect to specific embodiments, it will be understood that additional modifications are possible. It is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention that come within the scope of the invention as publicly known or common in the art to which this invention pertains and which can be applied to the essential features set forth hereinabove, Modification, use, or adaptation of the invention.

본 발명은 본 발명의 필수적 특징들의 사상으로부터 이탈됨이 없이 몇가지 형태로 구현될 수 있으므로, 상기한 구현예들은 달리 명시되지 않는 한 본 발명을 제한하는 것이 아니라, 첨부되는 청구항들에서 정의되는 본 발명의 사상 및 범위 내에서 광범위하게 해석되어야 하는 것으로 이해되어야 한다. 기재되는 구현예들은 모든 측면에 있어서 제한적이 아니라 예시적으로만 간주되어야 한다.The present invention can be embodied in several forms without departing from the spirit of essential characteristics of the present invention, so that the above embodiments do not limit the present invention unless otherwise specified, Should be construed broadly within the spirit and scope of the following claims. The implementations described are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive.

다양한 변형 및 균등 배열이 본 발명 및 첨부하는 청구항들의 사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 따라서, 특정 구현예들은 본 발명의 원리가 실행될 수 있는 많은 방식의 예시인 것으로 이해되어야 한다. 이하 청구항들에서, 기능식(means-to-function) 조항들은 정의된 기능을 수행하는 구조 및 구조적 균등물뿐 아니라 균등한 구조를 포함하는 것으로 의도된다.Various modifications and equivalent arrangements are intended to be included within the spirit and scope of the invention and the appended claims. Accordingly, it is to be understood that the specific embodiments are examples of many ways in which the principles of the invention may be practiced. In the following claims, means-to-function clauses are intended to include equivalent structures as well as structures and structural equivalents that perform the defined functions.

본원 명세서에 사용되는 "포함하는/포함하다"는 기재된 특징, 정수, 단계 또는 성분들의 존재를 명시하기 위한 것으로, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 성분 또는 이의 군의 존재 또는 첨가를 배제하지 않는다. 따라서, 문맥상 명백히 이에 반하지 않는 한, 명세서 및 청구항 전체를 통하여, 단어 "포함하다", "포함하는" 등은 배타적 또는 완전한 의미가 아니라 포괄적 의미로, 즉 "이에 제한되지 않으나 포함하는"의 의미로 해석되어야 한다.As used herein, the term "comprising" is used to specify the presence of stated features, integers, steps or components and does not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, components or groups thereof . Accordingly, the word " comprises, " " including, " or " comprising ", etc. throughout the specification and claims, unless the context clearly dictates otherwise, is to be construed in an inclusive sense, It should be interpreted as meaning.

Claims (51)

이질소를 암모니아로 전기화학적 환원하는 방법으로서,
상기 방법은
(1) 나노구조화된 촉매를 포함하는 캐소드 작업 전극 및 상대 전극을 하나 이상의 액체 염을 포함하는 전해질과 접촉시키는 단계,
- 상기 액체 염은
(i) PR1- 4 , NR1 - 4 , C4H8NR2로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온으로서, 각각의 R 기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 할로겐화되고, 임의로 이종원자를 포함하고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐, 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있는, 양이온; 및
(ii) (RO)xPF6-x , (RO)xBF4-x , R'SO2NSO2R', R'SO2C(SO2R')(SO2R'), FSO2NSO2F, C2O4BF2, C2O4PF4, RC2O4BF2, RC2O4PF4, CF3SO3, R'SO3, R'CO2, CF3COO, R'xPF6-x, R'xBF4-x 로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온으로서, 각각의 R'기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 불화되고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐, 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R' 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있는, 음이온
의 조합에 의하여 형성됨, 및
(2) 이질소 및 수소 공급원을 상기 전해질에 도입하는 단계
를 포함하고,
상기 이질소는 상기 캐소드 작업 전극에서 암모니아로 환원되는 것을 특징으로 하는 방법.
A method of electrochemically reducing nitrogen dioxide with ammonia,
The method
(1) contacting a cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst and a counter electrode with an electrolyte comprising at least one liquid salt,
- the liquid salt
(i) PR 1- 4, NR 1 - 4, C 4 H 8 as a cation selected from the group consisting of NR 2, and each R group is a linear, branched or cyclic independently, preferably 1 to 18 carbon Includes a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl, a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, optionally containing an atom, optionally partially or fully halogenated and optionally containing a heteroatom A cation in which two R groups may be joined to form a monocyclic or heterocyclic ring; And
(RO) x PF 6-x , (RO) x BF 4-x , R'SO 2 NSO 2 R ', R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R '), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2, C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2, RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3, R'SO 3, R'CO 2, CF 3 COO , R ' x PF 6-x , R' x BF 4-x , wherein each R 'group is independently linear, branched, or cyclic, and preferably has 1 to 18 carbon atoms Optionally containing a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl, a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, two R 'groups being bonded Which may form a monocyclic or heterocyclic ring,
, &Lt; / RTI &gt; and
(2) introducing a heterogeneous and hydrogen source into the electrolyte
Lt; / RTI &gt;
Characterized in that the isomer is reduced to ammonia in the cathode working electrode.
제1항에 있어서,
상기 액체 염은
(i) C4mpr, P6,6,6,14, P(C2Rfn)4(여기서, Rf는 퍼플루오로알킬 부위임)로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온; 및
(ii) eFAP, NfO, PFO, FSI, NTf2, B(otfe)4 및 CF3COO로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온
의 조합에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
The liquid salt
(i) a cation selected from the group consisting of C 4 mpr, P 6, 6, 6, 14, P (C 2 R fn ) 4 wherein R f is a perfluoroalkyl moiety; And
(ii) anions selected from the group consisting of eFAP, NfO, PFO, FSI, NTf 2 , B (otfe) 4 and CF 3 COO
. &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 액체 염은 [P6,6,6,14][eFAP]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the liquid salt is [ P6,6,6,14 ] [eFAP].
제1항에 있어서,
상기 액체 염은 [C4mpyr][eFAP]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [eFAP].
제1항에 있어서,
상기 액체 염은 [P6,6,6,14 ][F9C4SO3]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the liquid salt is characterized in that the [6,6,6,14 P] [C 4 F 9 SO 3].
제1항에 있어서,
상기 액체 염은 [P6,6,6,14 ][PFO]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the liquid salt is [ P6,6,6,14 ] [PFO].
제1항에 있어서,
상기 액체 염은 [C4mpyr][퍼플루오로부탄술포네이트]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [perfluorobutanesulfonate].
제1항에 있어서,
상기 액체 염은 [C4mpyr][PFO]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [PFO].
제1항에 있어서,
상기 전해질의 온도를 -35℃ 내지 200℃, 바람직하게는 0℃ 내지 150℃, 더 바람직하게는 15℃ 내지 130℃로 상승시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising raising the temperature of the electrolyte to from -35 占 폚 to 200 占 폚, preferably from 0 占 폚 to 150 占 폚, more preferably from 15 占 폚 to 130 占 폚.
제1항에 있어서,
상기 전해질에 0.7 bar 질소 내지 100 bar 질소, 바람직하게는 1 bar 내지 30 bar, 가장 바람직하게는 1 bar 내지 12 bar의 압력을 가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of applying a pressure of 0.7 bar nitrogen to 100 bar nitrogen, preferably 1 bar to 30 bar, and most preferably 1 bar to 12 bar to the electrolyte.
제10항에 있어서,
상기 압력은 펄스인 것을 특징으로 하는 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the pressure is a pulse.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 작업 전극과 상기 상대 전극 사이를 통과하는 전류는 간헐적인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the current passing between the cathode working electrode and the counter electrode is intermittent.
제1항에 있어서,
초음파 주파수의 에너지를 상기 전해질에 가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising applying energy of an ultrasonic frequency to the electrolyte.
제1항에 있어서,
이질소 기체를 가습하고, 상기 가습 이질소 기체를 스트림 내에서 상기 캐소드 작업 전극으로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
The method according to claim 1,
Humidifying the heterogeneous gas and passing the humidified heterogeneous gas in the stream to the cathode working electrode.
제1항에 있어서,
상기 전해질은 막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
&Lt; / RTI &gt; wherein the electrolyte further comprises a membrane.
제15항에 있어서,
상기 막은 폴리머 전해질, 겔화 이온성 액체 전해질 또는 다공성 세퍼레이터로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the membrane is selected from a polymer electrolyte, a gelled ionic liquid electrolyte or a porous separator.
이질소를 암모니아로 전기화학적 환원하기 위한 셀로서,
상기 셀은
- 이질소의 환원을 위한 나노구조화된 촉매를 포함하는 캐소드 작업 전극,
- 상대 전극, 및
- 상기 작업 전극과 접촉하는 하나 이상의 액체 염을 포함하는 전해질
을 포함하고,
상기 액체 염은
(i) PR1- 4 , NR1 - 4 , C4H8NR2로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온으로서, 각각의 R 기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 할로겐화되고, 임의로 이종원자를 포함하고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐, 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있는, 양이온; 및
(ii) (RO)xPF6-x, (RO)xBF4-x, R'SO2NSO2R', R'SO2C(SO2R')(SO2R'), FSO2NSO2F, C2O4BF2, C2O4PF4, RC2O4BF2, RC2O4PF4, CF3SO3, R'SO3, R'CO2, CF3COO, R'xPF6-x (FAP), R'xBF4-x로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온으로서, 각각의 R'기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 불화되고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐, 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R' 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있는 음이온
의 조합에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 셀.
1. A cell for electrochemically reducing nitrogen as an ammonia,
The cell
A cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst for the reduction of nitrogen,
- a counter electrode, and
An electrolyte comprising at least one liquid salt in contact with said working electrode
/ RTI &gt;
The liquid salt
(i) PR 1- 4, NR 1 - 4, C 4 H 8 as a cation selected from the group consisting of NR 2, and each R group is a linear, branched or cyclic independently, preferably 1 to 18 carbon Includes a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl, a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, optionally containing an atom, optionally partially or fully halogenated and optionally containing a heteroatom A cation in which two R groups may be joined to form a monocyclic or heterocyclic ring; And
(RO) x PF 6-x , (RO) x BF 4-x , R'SO 2 NSO 2 R ', R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R '), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2, C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2, RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3, R'SO 3, R'CO 2, CF 3 COO , R 'x PF 6-x (FAP), R' x BF 4-x as an anion selected from the group consisting of, each of the R 'group is independently a linear, branched or cyclic, preferably from 1 to 18 Includes a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl, a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, optionally containing a carbon atom and optionally partially or completely fluorinated, Groups may be combined to form an anion capable of forming a monocyclic or heterocyclic ring
Of the cell.
제17항에 있어서,
상기 액체 염은
(i) C4mpr, P6,6,6,14, P(C2Rfn)4로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온으로서, 여기서, Rf는 퍼플루오로알킬 부위인, 양이온; 및
(ii) eFAP, NfO, PFO, FSI, NTf2, B(otfe)4 및 CF3COO로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온
의 조합에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
The liquid salt
(i) a cation selected from the group consisting of C 4 mpr, P 6, 6, 6, 14, P (C 2 R fn ) 4 , wherein R f is a perfluoroalkyl moiety; And
(ii) anions selected from the group consisting of eFAP, NfO, PFO, FSI, NTf 2 , B (otfe) 4 and CF 3 COO
Of the cell.
제17항에 있어서,
상기 액체 염은 [P6,6,6,14][eFAP]인 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the liquid salt is [ P6,6,6,14 ] [eFAP].
제17항에 있어서,
상기 액체 염은 [C4mpyr][eFAP]인 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [eFAP].
제17항에 있어서,
상기 액체 염은 [P6,6,6,14 ][F9C4SO3]인 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the liquid salt is a cell, characterized in that [6,6,6,14 P] [C 4 F 9 SO 3].
제17항에 있어서,
상기 액체 염은 [P6,6,6,14 ][PFO]인 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the liquid salt is [ P6,6,6,14 ] [PFO].
제17항에 있어서,
상기 액체 염은 [C4mpyr][퍼플루오로부탄술포네이트]인 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [perfluorobutanesulfonate].
제17항에 있어서,
상기 액체 염은 [C4mpyr][PFO]인 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [PFO].
제17항 또는 제18항에 따른 두 개 이상의 셀들을 직렬로 적층함으로써 형성되는 셀 어셈블리.A cell assembly formed by laminating two or more cells according to claim 17 or 18 in series. 제17항에 있어서,
상기 전해질의 온도를 -35℃ 내지 200℃, 바람직하게는 0℃ 내지 150℃, 더 바람직하게는 15℃ 내지 130℃ 사이로 유지하기 위한 가열 수단을 포함하는 셀.
18. The method of claim 17,
And a heating means for maintaining the temperature of the electrolyte between -35 캜 and 200 캜, preferably between 0 캜 and 150 캜, more preferably between 15 캜 and 130 캜.
제17항에 있어서,
상기 전해질에 0.7 bar 질소 내지 100 bar 질소, 바람직하게는 1 bar 내지 30 bar, 가장 바람직하게는 1 bar 내지 12 bar의 압력을 가하기 위한 가압 수단을 포함하는 셀.
18. The method of claim 17,
And a pressure means for applying a pressure of 0.7 bar nitrogen to 100 bar nitrogen, preferably 1 bar to 30 bar, and most preferably 1 bar to 12 bar to the electrolyte.
제17항에 있어서,
상기 캐소드 작업 전극과 상기 상대 전극 사이에 간헐적 전류를 통과시키도록 조정되는 셀.
18. The method of claim 17,
The cathode being adapted to pass an intermittent current between the cathode working electrode and the counter electrode.
제17항에 있어서,
상기 이질소 기체를 가습하기 위한 가습기를 추가로 포함하고, 상기 가습 이질소 기체를 스트림 내에서 상기 캐소드 작업 전극으로 통과시키도록 조정되는 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Further comprising a humidifier for humidifying the heterogeneous gas, the humidifier being adapted to pass humidified gaseous gas through the cathode to the cathode working electrode.
제17항에 있어서,
상기 전해질은 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the electrolyte comprises a membrane.
제17항에 있어서,
상기 막은 폴리머 전해질, 겔화 이온성 액체 전해질 또는 다공성 세퍼레이터로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the membrane is selected from a polymer electrolyte, a gelled ionic liquid electrolyte or a porous separator.
제17항에 있어서,
초음파 주파수의 에너지를 상기 전해질에 가하기 위한 초음파 공급원을 포함하는 셀.
18. The method of claim 17,
A cell comprising an ultrasonic source for applying energy of an ultrasonic frequency to the electrolyte.
제17항에 있어서,
이질소의 암모니아로 환원은 주로 상기 캐소드 작업 전극의 작업 표면 상에 3상 경계에 인접하는 영역 내에서 일어나는 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein the reduction to the ammonia of the heterogeneous species takes place primarily in the region adjacent to the three-phase boundary on the working surface of the cathode working electrode.
제17항에 있어서,
상기 나노구조화된 전기화학적 촉매는 상기 캐소드 작업 전극의 외부 표면에 인접하고, 전기분해가 주로 일어나는 기체/전해질/금속 3상 경계 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 셀.
18. The method of claim 17,
Wherein said nanostructured electrochemical catalyst is adjacent to an outer surface of said cathode working electrode and forms a gas / electrolyte / metal three-phase boundary region where electrolysis predominates.
이질소의 암모니아로 전기화학적 환원을 위한 나노구조화된 촉매로서,
상기 나노구조화된 촉매는 나노입자를 포함하고, 인접하는 전해질 층 내에서 측정하여, 0.1 mF/cm2 보다 크고, 바람직하게는 1 mF/cm2 보다 큰 이중층 용량으로 나타내어지는 높은 전기화학적 작업 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 나노구조화된 촉매.
As a nanostructured catalyst for electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia,
The nanostructured catalyst comprises nanoparticles and has a high electrochemical working surface area as measured in an adjacent electrolyte layer, expressed as a bilayer capacity greater than 0.1 mF / cm 2 , preferably greater than 1 mF / cm 2 Lt; RTI ID = 0.0 &gt; nano-structured &lt; / RTI &gt;
제35항에 있어서,
전이 금속, 또는 란탄족 금속 및 그의 무기 화합물로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 나노입자를 포함하는 나노구조화된 촉매.
36. The method of claim 35,
Transition metal, or a nano-structured catalyst comprising at least one metal nanoparticle selected from a lanthanide metal and an inorganic compound thereof.
제36항에 있어서,
상기 하나 이상의 금속의 나노입자는 전기 전도성, 화학적으로 불활성인 지지체 상에 담지되는 것을 특징으로 하는 나노구조화된 촉매.
37. The method of claim 36,
Wherein the nanoparticles of the at least one metal are supported on an electrically conductive, chemically inert support.
제1항의 방법에 따라 이질소를 암모니아로 전기화학적으로 환원시키기 위한 전해질로서,
상기 전해질은 셀의 작업 온도 및 압력에서 적어도 100 mg/L, 더 바람직하게는 200 mg/L 보다 큰, 가장 바람직하게는 400 mg/L 보다 큰 이질소 용해도, 및 셀의 작업 온도 및 압력에서 5 중량% 미만, 더 바람직하게는 2 % 미만, 가장 바람직하게는 1% 미만의 수 용해도를 가지는 하나 이상의 염을 포함하는 것인 전해질.
An electrolyte for electrochemically reducing a nitrogenous material into ammonia according to the method of claim 1,
The electrolyte has a solubility in the cell of at least 100 mg / L, more preferably greater than 200 mg / L, most preferably greater than 400 mg / L at the working temperature and pressure of the cell, At least one salt having a solubility in water of less than 2 wt%, more preferably less than 2 wt%, and most preferably less than 1 wt%.
제38항에 있어서,
상기 전해질은 막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질.
39. The method of claim 38,
&Lt; / RTI &gt; wherein the electrolyte further comprises a membrane.
제39항에 있어서,
상기 막은 폴리머 전해질 또는 폴리머 전해질-액체 염 블렌드, 또는 겔화 액체 염 전해질, 또는 다공성 세퍼레이터 내로 침지된 전해질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전해질.
40. The method of claim 39,
Wherein the membrane is selected from a polymer electrolyte or a polymer electrolyte-liquid salt blend, or a gelled liquid salt electrolyte, or an electrolyte immersed in a porous separator.
제38항에 있어서,
상기 액체 염 매질 내에 90 부피% 내지 0.1 부피% 사이, 더 바람직하게는 20 부피% 내지 0.2 부피% 사이, 및 가장 바람직하게는 50 부피% 내지 0.5 부피% 사이의 수준으로 존재하는 분자성 액체를 추가로 포함하는 전해질.
39. The method of claim 38,
Adding a molecular liquid present in the liquid salt medium at a level of between 90 vol% and 0.1 vol%, more preferably between 20 vol% and 0.2 vol%, and most preferably between 50 vol% and 0.5 vol% .
제38항에 있어서,
상기 액체 염 매질 내에 90 부피% 내지 0.1 부피% 사이, 더 바람직하게는 20 부피% 내지 0.2 부피% 사이, 및 가장 바람직하게는 50 부피% 내지 0.5 부피% 사이의 수준으로 존재하는, 디메틸술폭사이드, 테트라글림 및 기타 올리고- 및 폴리-에테르, 글루타로니트릴 및 기타 고비점 니트릴, 트리플루오로톨루엔으로부터 선택되는 분자성 액체를 추가로 포함하는 전해질.
39. The method of claim 38,
Is present in the liquid salt medium at a level of between 90 vol% and 0.1 vol%, more preferably between 20 vol% and 0.2 vol%, and most preferably between 50 vol% and 0.5 vol% Tetraglyme and other oligo- and poly-ethers, glutaronitrile and other high boiling nitriles, trifluoro toluene.
제1항의 방법에 따라 이질소를 암모니아로 전기화학적으로 환원시키기 위한 전극으로서,
상기 전극은 다공성 전도성 전극 물질 및 나노구조화된 촉매를 포함하는 하이브리드 구조를 가지고, 상기 전극은 전기화학적 활성 표면적 및 상기 전극 몸체 내 기체 접근 및 전해질 접근 모두를 허용하도록 조정되는 복수의 기공을 가지는 것을 특징으로 하는 전극.
An electrode for electrochemically reducing a nitrogenous material to ammonia according to the method of claim 1,
Said electrode having a hybrid structure comprising a porous conductive electrode material and a nanostructured catalyst, said electrode having a plurality of pores adapted to allow both an electrochemically active surface area and both gas access and electrolyte access within the electrode body .
제43항에 있어서,
상기 기공은 적어도 부분적으로 이온 전도성 물질로 충전되는 것을 특징으로 하는 전극.
44. The method of claim 43,
Wherein the pores are at least partially filled with an ion conductive material.
제1항의 방법에 따라 이질소를 암모니아로 전기화학적으로 환원시키기 위한 전극으로서, 상기 전극은 촉매 물질 또는 겔화 액체 염으로 함침된 다공성 금속 또는 탄소를 포함하는 막인 것을 특징으로 하는 전극.10. An electrode for electrochemically reducing nitrogen to ammonia according to the method of claim 1, wherein the electrode is a porous metal or a film containing carbon impregnated with a catalytic material or a gelled liquid salt. 제1항의 셀 내 사용하기 위한, 하나 이상의 액체 염과 조합하여 얇은 물질 층을 포함하는 전해질 막으로서,
상기 액체 염은
(i) PR1- 4 , NR1 - 4 , C4H8NR2로 구성되는 군으로부터 선택되는 양이온으로서, 각각의 R 기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 할로겐화되고, 임의로 이종원자를 포함하고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐, 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있는, 양이온; 및
(ii) (RO)xPF6-x , (RO)xBF4-x , R'SO2NSO2R', R'SO2C(SO2R')(SO2R'), FSO2NSO2F, C2O4BF2, C2O4PF4, RC2O4BF2, RC2O4PF4, CF3SO3, R'SO3, R'CO2, CF3COO, R'xPF6-x, R'xBF4-x 로 구성되는 군으로부터 선택되는 음이온으로서, 각각의 R'기는 독립적으로 선형, 분지형 또는 환형이고, 바람직하게는 1 내지 18 탄소 원자를 포함하고, 임의로 부분적으로 또는 완전히 불화되고, 임의로 바람직하게는 에테르, 알콜, 카보닐, 티올, 술폭사이드, 술포네이트, 아민, 아조 또는 니트릴로부터 선택되는 작용기를 포함하고, 두 개의 R' 기들이 결합되어 모노시클릭 또는 헤테로시클릭 고리를 형성할 수 있는, 음이온
의 조합에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질 막.
An electrolyte membrane for use in the cell of claim 1 comprising a thin layer of material in combination with at least one liquid salt,
The liquid salt
(i) PR 1- 4, NR 1 - 4, C 4 H 8 as a cation selected from the group consisting of NR 2, and each R group is a linear, branched or cyclic independently, preferably 1 to 18 carbon Includes a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl, a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, optionally containing an atom, optionally partially or fully halogenated and optionally containing a heteroatom A cation in which two R groups may be joined to form a monocyclic or heterocyclic ring; And
(RO) x PF 6-x , (RO) x BF 4-x , R'SO 2 NSO 2 R ', R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R '), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2, C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2, RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3, R'SO 3, R'CO 2, CF 3 COO , R ' x PF 6-x , R' x BF 4-x , wherein each R 'group is independently linear, branched, or cyclic, and preferably has 1 to 18 carbon atoms Optionally containing a functional group selected from an ether, an alcohol, a carbonyl, a thiol, a sulfoxide, a sulfonate, an amine, an azo or a nitrile, two R 'groups being bonded Which may form a monocyclic or heterocyclic ring,
Wherein the electrolyte membrane is formed by a combination of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane.
제46항에 있어서,
상기 얇은 물질 층은 폴리머, 겔 또는 다공성 세퍼레이터 물질을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전해질 막.
47. The method of claim 46,
Wherein the thin material layer is selected from the group consisting of a polymer, a gel, or a porous separator material.
제46항에 있어서,
상기 액체 염은 폴리머와 조합되는 것을 특징으로 하는 전해질 막.
47. The method of claim 46,
Wherein the liquid salt is combined with a polymer.
제46항에 있어서,
상기 액체 염은 겔과 조합되는 것을 특징으로 하는 전해질 막.
47. The method of claim 46,
Wherein the liquid salt is combined with a gel.
제46항에 있어서,
상기 액체 염은 다공성 세퍼레이터와 조합되는 것을 특징으로 하는 전해질.
47. The method of claim 46,
Wherein the liquid salt is combined with a porous separator.
제17항의 전기화학 셀, 제35항의 나노구조화된 촉매 및 제38항의 전해질을 사용하여 수행되는, 제1항에 따라 이질소를 암모니아로 전기화학적으로 환원시키는 방법.A method for electrochemically reducing nitrogen oxides in ammonia according to claim 1, carried out using the electrochemical cell of claim 17, the nanostructured catalyst of claim 35, and the electrolyte of claim 38.
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