KR20240072592A - Electrochemical ammonia synthesis module and electrochemical ammonia synthesis method using the same - Google Patents

Electrochemical ammonia synthesis module and electrochemical ammonia synthesis method using the same Download PDF

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김선형
김재형
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Abstract

본 발명은 전기화학적 암모니아 합성 모듈 및 이를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명에 따른 전기화학적 암모니아 합성 모듈은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 이온 분리막으로 적용함으로써 산소이온 및 수소이온에 대한 선택적 이온 투과성이 우수하여 구동 온도를 낮추고 N2 활성화를 촉진시켜 암모니아 합성 속도를 높일 수 있다. 뿐만 아니라 기체상의 생성물로 인해 상대적으로 분리 공정을 단순화할 수 있고, 오로지 물과 질소만을 사용하여 암모니아 생산이 가능한 이점이 있다. 이를 이용하여 에너지 세라믹 소재, 부품, 스택, 시스템 등 실제 산업체의 생산 프로세스 등 다양한 공정 및 설계에 적용될 수 있다.The present invention relates to an electrochemical ammonia synthesis module and an electrochemical ammonia synthesis method using the same. More specifically, the electrochemical ammonia synthesis module according to the present invention is an ion separation membrane using a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor. By applying it, it has excellent selective ion permeability to oxygen ions and hydrogen ions, lowering the operating temperature and promoting N 2 activation, thereby increasing the rate of ammonia synthesis. In addition, the separation process can be relatively simplified due to the gaseous product, and there is an advantage in that ammonia can be produced using only water and nitrogen. This can be applied to various processes and designs, including the actual industrial production process of energy ceramic materials, parts, stacks, and systems.

Description

전기화학적 암모니아 합성 모듈 및 이를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법{Electrochemical ammonia synthesis module and electrochemical ammonia synthesis method using the same}Electrochemical ammonia synthesis module and electrochemical ammonia synthesis method using the same {Electrochemical ammonia synthesis module and electrochemical ammonia synthesis method using the same}

본 발명은 전기화학적 암모니아 합성 모듈 및 이를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical ammonia synthesis module and an electrochemical ammonia synthesis method using the same.

녹색 암모니아의 수요와 탄소 중립의 중요성이 맞물려 신재생 에너지를 기반으로 한 전기화학적 그린 암모니아 생산 기술은 산업적 활용 가능성 측면에서 매우 중요하다. 전기화학적 암모니아 합성은 크게 저온 및 상업 조건에서의 합성과 고온에서의 합성 조건에서 수행될 수 있다. 먼저 저온 및 상압 조건에서의 전기화학적 암모니아 합성은 낮은 N2 활성화, 암모니아 생산량 및 패러데이 효율 문제로 인하여 상용화에 어려움이 있다.Due to the demand for green ammonia and the importance of carbon neutrality, electrochemical green ammonia production technology based on renewable energy is very important in terms of industrial applicability. Electrochemical ammonia synthesis can be largely performed under low-temperature and commercial conditions and under high-temperature synthesis conditions. First, electrochemical ammonia synthesis under low temperature and normal pressure conditions is difficult to commercialize due to problems with low N 2 activation, ammonia production, and Faradaic efficiency.

반면 고온에서의 암모니아 합성은 반응물로 질소 및 물을 이용하여 녹색 암모니아를 합성하기 위해 산소 이온에 대한 전도성을 지닌 전해질을 사용할 수 있다. 그러나 산소 이온에 대한 투과성을 지닌 고체 전해질은 고온에서 구동하여야 하므로 제조비용이 많이 들고 고온으로 인한 안정성을 고려해야 하는 단점이 있다. On the other hand, ammonia synthesis at high temperature can use an electrolyte with conductivity for oxygen ions to synthesize green ammonia using nitrogen and water as reactants. However, solid electrolytes that are permeable to oxygen ions must be operated at high temperatures, so they have the disadvantage of being expensive to manufacture and having to consider stability due to high temperatures.

따라서 이러한 기존 방법들은 구동 온도를 낮추면서도 암모니아의 합성속도를 높이는데 여전히 한계로 남아 있어 이를 개선하기 위한 새로운 연구 개발이 필요한 실정이다.Therefore, these existing methods still have limitations in increasing the synthesis speed of ammonia while lowering the operating temperature, so new research and development is needed to improve this.

한국등록특허 제10-1392828호Korean Patent No. 10-1392828

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 낮은 구동 온도와 높은 암모니아 합성 속도를 가지는 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the purpose of the present invention is to provide an electrochemical ammonia synthesis module with low operating temperature and high ammonia synthesis rate.

또한 본 발명은 전기화학적 암모니아 합성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for electrochemical ammonia synthesis.

본 발명은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 포함하는 이온 분리막; 상기 이온 분리막의 일면에 형성된 산화전극; 및 상기 이온 분리막의 타면에 형성된 환원전극;을 포함하는 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 제공한다.The present invention relates to an ion separation membrane comprising a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor; An anode formed on one side of the ion separation membrane; and a reduction electrode formed on the other side of the ion separation membrane. It provides an electrochemical ammonia synthesis module including a.

또한 본 발명은 산화전극, 이온 분리막 및 환원전극을 포함하는 암모니아 합성 모듈을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법으로, 산화전극을 포함하는 산화극부에서 전자(e-), 수소이온(H+) 및 산소기체(O2)를 생성하는 단계; 상기 수소이온이 상기 산화극부 및 환원극부 사이에 게재되는 이온 분리막을 통과하는 단계; 및 상기 이온 분리막을 통과한 수소이온이 환원전극을 포함하는 환원극부에 도달하여 암모니아 가스(NH3 gas) 또는 암모늄 이온(NH4 +)을 생산하는 단계;를 포함하고, 상기 이온 분리막은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 것인 전기화학적 암모니아 합성 방법을 제공한다.In addition, the present invention is an electrochemical ammonia synthesis method using an ammonia synthesis module including an oxidation electrode, an ion separation membrane, and a reduction electrode. Electrons (e - ), hydrogen ions (H + ), and oxygen gas are generated from the anode part including the oxidation electrode. generating (O 2 ); passing the hydrogen ions through an ion separation membrane disposed between the oxidation electrode and the reduction electrode; And a step of producing ammonia gas (NH 3 gas) or ammonium ion (NH 4 + ) by allowing the hydrogen ions that have passed through the ion separation membrane to reach the cathode portion including the cathode, wherein the ion separation membrane produces oxygen ions. An electrochemical ammonia synthesis method comprising a conductor and a proton conductor is provided.

본 발명에 따른 전기화학적 암모니아 합성 모듈은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 이온 분리막으로 적용함으로써 산소이온 및 수소이온에 대한 선택적 이온 투과성이 우수하여 구동 온도를 낮추고 N2 활성화를 촉진시켜 암모니아 합성 속도를 높일 수 있다. 뿐만 아니라 기체상의 생성물로 인해 상대적으로 분리 공정을 단순화할 수 있고, 오로지 물과 질소만을 사용하여 암모니아 생산이 가능한 이점이 있다. 이를 이용하여 에너지 세라믹 소재, 부품, 스택, 시스템 등 실제 산업체의 생산 프로세스 등 다양한 공정 및 설계에 적용될 수 있다.The electrochemical ammonia synthesis module according to the present invention has excellent selective ion permeability to oxygen ions and hydrogen ions by applying a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor as an ion separation membrane, thereby lowering the operating temperature and promoting N 2 activation. It can accelerate the rate of ammonia synthesis. In addition, the separation process can be relatively simplified due to the gaseous product, and there is an advantage in that ammonia can be produced using only water and nitrogen. This can be applied to various processes and designs, including the actual industrial production process of energy ceramic materials, parts, stacks, and systems.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. The effects of the present invention should be understood to include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 암모니아 합성 모듈의 암모니아 합성과정을 개략적으로 나타낸 것이다. Figure 1 schematically shows the ammonia synthesis process of the electrochemical ammonia synthesis module according to the present invention.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of example.

본 발명은 전기화학적 암모니아 합성 모듈 및 이를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical ammonia synthesis module and an electrochemical ammonia synthesis method using the same.

앞서 설명한 바와 같이, 기존의 전기화학적 암모니아 합성은 저온 및 상압 조건일 때 낮은 N2 활성화, 암모니아 생산량 및 패러데이 효율 문제로 인하여 상용화에 어려움이 있으며, 고온 조건에서는 제조비용이 많이 들고 고온으로 인한 안정성 문제를 고려해야 하는 한계들이 있었다.As previously explained, the existing electrochemical ammonia synthesis is difficult to commercialize due to low N 2 activation, ammonia production, and Faraday efficiency problems under low temperature and normal pressure conditions, and high manufacturing costs and stability problems due to high temperature under high temperature conditions. There were limitations that had to be taken into consideration.

이에 본 발명에서는 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 이온 분리막으로 적용함으로써 산소 이온(O2-) 뿐만 아니라 수소이온(H+)에 대한 선택적 이온 투과성으로 인해 낮은 구동 온도에서 암모니아 합성 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 뿐만 아니라 반응물로서 오로지 물과 질소만을 사용함으로써 장치 설비 및 공정이 간단하며, 공정 안정성이 우수하다. 이를 이용하여 에너지 세라믹 소재, 부품, 스택, 시스템 등 실제 산업체의 생산 프로세스 등 다양한 공정 및 설계에 적용될 수 있다.Accordingly, in the present invention, by applying a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor as an ion separation membrane, ammonia is removed at a low operating temperature due to selective ion permeability to not only oxygen ions (O 2- ) but also hydrogen ions (H + ). There is an advantage in improving synthesis yield. In addition, by using only water and nitrogen as reactants, equipment equipment and process are simple, and process stability is excellent. This can be applied to various processes and designs, including the actual industrial production process of energy ceramic materials, parts, stacks, and systems.

구체적으로 본 발명은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 포함하는 이온 분리막; 상기 이온 분리막의 일면에 형성된 산화전극; 및 상기 이온 분리막의 타면에 형성된 환원전극;을 포함하는 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 제공한다.Specifically, the present invention relates to an ion separation membrane comprising a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor; An anode formed on one side of the ion separation membrane; and a reduction electrode formed on the other side of the ion separation membrane. It provides an electrochemical ammonia synthesis module including a.

상기 산소이온 전도체는 산소 이온 전도성을 지니고 있는 전해질로서 구체적인 예로는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02, yttria-stabilized zirconia), SSZ(Sc2O3 stabilized-Zr02, scandia-stabilized zirconia), SDC(Sm2O3 doped-Ce02, Sm-doped ceria), GDC(Gd2O3 doped-Ce02, Gd-doped ceria) 및 LaGaO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02), SSZ(Sc2O3 stabilized-Zr02) 및 LaCaO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02), LaCaO3 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The oxygen ion conductor is an electrolyte having oxygen ion conductivity, and specific examples include YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2, yttria-stabilized zirconia), SSZ (Sc 2 O 3 stabilized-Zr0 2 , scandia-stabilized zirconia), It may be at least one selected from the group consisting of SDC (Sm 2 O 3 doped-Ce0 2 , Sm-doped ceria), GDC (Gd 2 O 3 doped-Ce0 2 , Gd-doped ceria), and LaGaO 3 , preferably It may be one or more selected from the group consisting of YSZ(Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ), SSZ(Sc 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ) and LaCaO 3 , and most preferably YSZ(Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ), LaCaO 3 or a mixture thereof.

상기 산소이온 전도체는 이를 이온 분리막으로 단독 사용 시 산소이온 전도도를 확보하기 위해 700 ℃ 이상의 높은 작동 온도를 필요로 하는데, 이 경우 합성된 암모니아가 분해될 수 있어 작동 온도를 낮춰야 한다. 본 발명에서는 상기 산소이온 전도체에 600 ℃ 이하에서 높은 이온 전도도를 확보할 수 있어 암모니아 합성에 유리한 프로톤 전도체를 동시에 사용함으로써 작동 온도를 현저하게 낮출 수 있다.The oxygen ion conductor requires a high operating temperature of 700°C or higher to ensure oxygen ion conductivity when used alone as an ion separation membrane. In this case, the synthesized ammonia may be decomposed, so the operating temperature must be lowered. In the present invention, the operating temperature can be significantly lowered by simultaneously using the oxygen ion conductor as a proton conductor, which is advantageous for ammonia synthesis as it can secure high ionic conductivity below 600°C.

상기 프로톤 전도체는 상기 산소이온 전도체에 비해 낮은 온도에서도 높은 이온 전도도를 가져 낮은 구동온도에서 암모니아 합성 수율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 이러한 상기 프로톤 전도체는 세라믹 화합물로서 구체적인 예로는 상기 프로톤 전도체는 BaCeO3, BaZrO3, Ba(ZrY)O3, Ba(ZrCeY)O3, SrCeO3, CaZrO3 및 SrZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 페로브스카이트 구조 화합물일 수 있고, 바람직하게는 Ba(ZrCeY)O3, BaZrO3, BaCeO3, SrCeO3 및 CaZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 Ba(ZrCeY)O3일 수 있다.The proton conductor has high ionic conductivity even at lower temperatures than the oxygen ion conductor, and can significantly improve ammonia synthesis yield at low operating temperatures. The proton conductor is a ceramic compound, and specific examples include the proton conductor being one selected from the group consisting of BaCeO 3 , BaZrO 3 , Ba(ZrY)O 3 , Ba(ZrCeY)O 3 , SrCeO 3 , CaZrO 3 and SrZrO 3 It may be any of the above perovskite structural compounds, preferably at least one selected from the group consisting of Ba(ZrCeY)O 3 , BaZrO 3 , BaCeO 3 , SrCeO 3 and CaZrO 3 , and most preferably Ba(ZrCeY )O 3 may be.

상기 전도성 세라믹 복합체 전해질은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 30:70 내지 70:30 중량비, 바람직하게는 40:60 내지 60:40 중량비, 가장 바람직하게는 50:50 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 특히, 상기 산소이온 전도체의 함량이 70 중량비 초과이면 암모니아 합성 시 작동 온도가 높아 합성된 암모니아가 분해될 수 있고, 반대로 30 중량비 미만이면 상기 산소이온 전도체의 함량이 적어 암모니아의 합성 수율이 기대 수준에 미치지 못할 수 있다. The conductive ceramic composite electrolyte may be a mixture of an oxygen ion conductor and a proton conductor in a weight ratio of 30:70 to 70:30, preferably 40:60 to 60:40, and most preferably 50:50. In particular, if the content of the oxygen ion conductor exceeds 70 weight ratio, the operating temperature during ammonia synthesis is high and the synthesized ammonia may be decomposed. Conversely, if the content of the oxygen ion conductor is less than 30 weight ratio, the content of the oxygen ion conductor is small, so the synthesis yield of ammonia is not at the expected level. You may not be able to reach it.

상기 이온 분리막은 산소이온 및 수소이온에 대해 전도성을 가짐으로써 선택적 이온 투과성이 우수하여 암모니아의 합성 수율을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 이온 분리막은 상기 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 적정 함량으로 혼합되어 있어 구동 온도를 낮출 수 있고, 암모니아의 합성 속도를 빠르게 증대시킬 수 있다.The ion separation membrane has excellent selective ion permeability by being conductive to oxygen ions and hydrogen ions, thereby improving the synthesis yield of ammonia. In addition, the ion separation membrane is a mixture of the oxygen ion conductor and the proton conductor in an appropriate amount, so that the operating temperature can be lowered and the synthesis rate of ammonia can be rapidly increased.

상기 이온 분리막은 두께가 1 내지 500 ㎛, 바람직하게는 5 내지 300 ㎛, 더욱 바람직하게는 8 내지 200 ㎛, 가장 바람직하게는 10 내지 100 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 이온 분리막의 두께가 1 ㎛ 미만이면 내구성 및 셀 제작에 어려움이 있을 수 있고, 반대로 500 ㎛ 초과이면 이온전도 경로가 너무 길어져 암모니아의 합성 시간이 오래 걸리며, 이온전달이 효과적으로 이루어지지 않아 암모니아의 합성 수율이 저하될 수 있다.The ion separation membrane may have a thickness of 1 to 500 ㎛, preferably 5 to 300 ㎛, more preferably 8 to 200 ㎛, and most preferably 10 to 100 ㎛. At this time, if the thickness of the ion separator is less than 1 ㎛, durability and cell manufacturing may be difficult. Conversely, if it is more than 500 ㎛, the ion conduction path becomes too long, so ammonia synthesis takes a long time, and ion transfer is not effective, so ammonia The synthesis yield may decrease.

상기 산화전극은 Ir, Pt, Ti 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 및 제1 촉매를 포함할 수 있고, 바람직하게는 Pt, Ti 또는 이들의 혼합물 및 제1 촉매를 포함할 수 있고, 가장 바람직하게는 Pt/Ti 혼합물 및 제1 촉매를 포함할 수 있다.The anode may include one or more metals selected from the group consisting of Ir, Pt, Ti, and Ni, and a first catalyst, and preferably may include Pt, Ti, or a mixture thereof, and a first catalyst, Most preferably, it may include a Pt/Ti mixture and a first catalyst.

상기 산화전극의 제1 촉매는 [(La1-xSrx)CoO3-δ](LSC), [(La1-xSrx)FeO3-δ] (LSF), [(La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ](LSCF), [(LaxSr1-x)TiO3-δ](LST), [(BaxSr1-x)(CoyFe1-y)O3](BSCF), LaCoO3, LaNiO3, (LaxSr1-x)VO3, Ca(VxMo1-x)O3, [Ba(ZrxCeyY1-(x+y))O3](BZCY) 및 [Pr(Ba1-xSrx)(Fe2-yGey)O6](PBSFG)(여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<δ<3이고, 바람직하게는 0<x<0.7, 0<y<0.7, 0<δ<3이다.)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The first catalyst of the oxidation electrode is [(La 1-x Sr x )CoO 3-δ ](LSC), [(La 1-x Sr x )FeO 3-δ ] (LSF), [(La 1-x Sr x )(Co 1-y Fe y )O 3-δ ](LSCF), [(La x Sr 1-x )TiO 3-δ ](LST), [(Ba x Sr 1-x )(Co y Fe 1-y )O 3 ](BSCF), LaCoO 3 , LaNiO 3 , (La x Sr 1-x )VO 3 , Ca(V x Mo 1-x )O 3 , [Ba(Zr x Ce y Y 1 -(x+y) )O 3 ](BZCY) and [Pr(Ba 1-x Sr x )(Fe 2-y Ge y )O 6 ](PBSFG) where 0<x<1, 0<y <1, 0<δ<3, preferably 0<x<0.7, 0<y<0.7, 0<δ<3).

상기 환원전극은 전도성 촉매, 제2 촉매 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 바람직하게는 전도성 촉매 및 제2 촉매의 혼합물일 수 있다.The cathode may be a conductive catalyst, a second catalyst, or a mixture thereof, and preferably may be a mixture of a conductive catalyst and a second catalyst.

상기 전도성 촉매는 상기 제1 촉매와 동일하고, 구체적으로 [(La1-xSrx)CoO3-δ](LSC), [(La1-xSrx)FeO3-δ] (LSF), [(La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ](LSCF), [(LaxSr1-x)TiO3-δ](LST), [(BaxSr1-x)(CoyFe1-y)O3](BSCF), LaCoO3, LaNiO3, (LaxSr1-x)VO3, Ca(VxMo1-x)O3, [Ba(ZrxCeyY1-(x+y))O3](BZCY) 및 [Pr(Ba1-xSrx)(Fe2-yGey)O6](PBSFG)(여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<δ<3이고, 바람직하게는 0<x<0.7, 0<y<0.7, 0<δ<3이다.)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The conductive catalyst is the same as the first catalyst, specifically [(La 1-x Sr x )CoO 3-δ ] (LSC), [(La 1-x Sr x )FeO 3-δ ] (LSF), [(La 1-x Sr x )(Co 1-y Fe y )O 3-δ ](LSCF), [(La x Sr 1-x )TiO 3-δ ](LST), [(Ba x Sr 1 -x )(Co y Fe 1-y )O 3 ](BSCF), LaCoO 3 , LaNiO 3 , (La x Sr 1-x )VO 3 , Ca(V x Mo 1-x )O 3 , [Ba( Zr x Ce y Y 1-(x+y) ) O 3 ](BZCY) and [Pr(Ba 1 -x Sr <1, 0<y<1, 0<δ<3, preferably 0<x<0.7, 0<y<0.7, 0<δ<3).

상기 환원전극의 제2 촉매는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Au 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The second catalyst of the reduction electrode may be one or more selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Au, and Bi.

바람직하게는 특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 전기화학적 암모니아 합성방법에 있어서, 하기 6가지 조건들을 각각 달리하여 암모니아를 합성한 후 암모니아 생산 속도와 이온 분리막의 이온 전도성 및 내구성을 측정할 수 있다.Preferably, although not explicitly described in the following examples or comparative examples, in the electrochemical ammonia synthesis method according to the present invention, ammonia is synthesized under each of the following six conditions, and then the ammonia production rate and ion The ionic conductivity and durability of the separator can be measured.

그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 암모니아의 생성 속도가 상기 산소이온 전도체 또는 프로톤 전도체 중 어느 하나만을 이용한 분리막에 비해 현저하게 향상되었고, 이온 분리막의 이온 전도성 및 내구성이 우수하였으며, 이로 인해 장기 안정성을 향상된 것을 확인하였다. As a result, unlike other conditions and other numerical ranges, when all of the following conditions were satisfied, the ammonia production rate was significantly improved compared to the separation membrane using either the oxygen ion conductor or the proton conductor, and the ion conductivity and It was confirmed that durability was excellent and that long-term stability was improved as a result.

① 상기 산소이온 전도체는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02), LaCaO3 또는 이들의 혼합물이고, ② 상기 프로톤 전도체는 BaCeO3, SrCeO3 및 CaZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, ③ 상기 전도성 세라믹 복합체 전해질은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 40:60 내지 60:40 중량비로 혼합된 것이고, ④ 상기 이온 분리막은 두께가 8 내지 200 ㎛이고, ⑤ 상기 산화전극은 Pt, Ti 또는 이들의 혼합물 및 제1 촉매를 포함하고, ⑥ 상기 환원전극은 전도성 촉매 및 제2 촉매의 혼합물로 이루어진 촉매를 포함할 수 있다.① The oxygen ion conductor is YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ), LaCaO 3 or a mixture thereof, ② The proton conductor is at least one selected from the group consisting of BaCeO 3 , SrCeO 3 and CaZrO 3 , ③ The conductive ceramic composite electrolyte is a mixture of an oxygen ion conductor and a proton conductor in a weight ratio of 40:60 to 60:40, ④ the ion separator has a thickness of 8 to 200 ㎛, ⑤ the oxidizing electrode is Pt, Ti or their It includes a mixture and a first catalyst, and ⑥ the cathode may include a catalyst composed of a mixture of a conductive catalyst and a second catalyst.

다만, 상기 6가지 조건들 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 암모니아의 생산 속도가 낮아질 수 있고, 이온 분리막의 이온 전도성 및 내구성 역시 급격하게 저하되었으며, 장기 안정성이 좋지 않았다.However, if any of the six conditions above are not met, the ammonia production rate may be low, the ion conductivity and durability of the ion separator will also be drastically reduced, and long-term stability will be poor.

이와 같이, 본 발명의 전기화학적 암모니아 합성 모듈은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 이온 분리막으로 적용함으로써 산소이온 및 수소이온에 대한 선택적 이온 투과성이 우수하여 구동 온도를 낮추고 N2 활성화를 촉진시켜 암모니아 합성 속도를 높일 수 있다. 뿐만 아니라 기체상의 생성물로 인해 상대적으로 분리 공정을 단순화할 수 있고, 오로지 물과 질소만을 사용하여 암모니아 생산이 가능한 이점이 있다. 이를 이용하여 에너지 세라믹 소재, 부품, 스택, 시스템 등 실제 산업체의 생산 프로세스 등 다양한 공정 및 설계에 적용될 수 있다.As such, the electrochemical ammonia synthesis module of the present invention has excellent selective ion permeability to oxygen ions and hydrogen ions by applying a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor as an ion separation membrane, thereby lowering the operating temperature and N 2 By promoting activation, the rate of ammonia synthesis can be increased. In addition, the separation process can be relatively simplified due to the gaseous product, and there is an advantage in that ammonia can be produced using only water and nitrogen. This can be applied to various processes and designs, including the actual industrial production process of energy ceramic materials, parts, stacks, and systems.

또한, 본 발명은 산화전극, 이온 분리막 및 환원전극을 포함하는 암모니아 합성 모듈을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법으로, 산화전극을 포함하는 산화극부에서 전자(e-), 수소이온(H+) 및 산소기체(O2)를 생성하는 단계; 상기 수소이온이 상기 산화극부 및 환원극부 사이에 게재되는 이온 분리막을 통과하는 단계; 및 상기 이온 분리막을 통과한 수소이온이 환원전극을 포함하는 환원극부에 도달하여 암모니아 가스(NH3 gas) 또는 암모늄 이온(NH4 +)을 생산하는 단계;를 포함하고, 상기 이온 분리막은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 것인 전기화학적 암모니아 합성 방법을 제공한다.In addition, the present invention is an electrochemical ammonia synthesis method using an ammonia synthesis module including an oxidation electrode, an ion separation membrane, and a reduction electrode. Generating gas (O 2 ); passing the hydrogen ions through an ion separation membrane disposed between the oxidation electrode unit and the reduction electrode unit; And a step of producing ammonia gas (NH 3 gas) or ammonium ion (NH 4 + ) by allowing the hydrogen ions that have passed through the ion separation membrane to reach the cathode portion including the cathode, wherein the ion separation membrane produces oxygen ions. An electrochemical ammonia synthesis method comprising a conductor and a proton conductor is provided.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 암모니아 합성 모듈의 암모니아 합성과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 산화극부의 산화전극 표면에서 물이 분해되어 전자와 수소이온이 생성되고, 산소기체가 발생하는 것을 보여준다. 또한 상기 환원극부의 환원전극 표면에서는 질소 가스와 물이 분해되면서 암모니아가 합성되는 것을 나타내며, 가운데 위치한 이온 분리막에서는 수소이온이산화전극으로부터 환원전극으로 이동하고, 산소이온이 산화전극으로부터 환원전극으로 이동하는 것을 보여준다. Figure 1 schematically shows the ammonia synthesis process of the electrochemical ammonia synthesis module according to the present invention. Referring to FIG. 1, it is shown that water is decomposed on the anode surface of the anode part to generate electrons and hydrogen ions, and oxygen gas is generated. In addition, on the cathode surface of the cathode part, ammonia is synthesized as nitrogen gas and water are decomposed, and in the ion separation membrane located in the middle, hydrogen ions move from the anode electrode to the cathode electrode, and oxygen ions move from the anode electrode to the cathode electrode. shows that

상기 산소이온 전도체는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02, yttria-stabilized zirconia), SSZ(Sc2O3 stabilized-Zr02, scandia-stabilized zirconia), SDC(Sm2O3 doped-Ce02, Sm-doped ceria), GDC(Gd2O3 doped-Ce02, Gd-doped ceria) 및 LaGaO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02), SSZ(Sc2O3 stabilized-Zr02) 및 LaCaO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02), LaCaO3 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The oxygen ion conductor is YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2, yttria-stabilized zirconia), SSZ (Sc 2 O 3 stabilized-Zr0 2 , scandia-stabilized zirconia), SDC (Sm 2 O 3 doped-Ce0 2 , It may be one or more selected from the group consisting of Sm-doped ceria), GDC (Gd 2 O 3 doped-Ce0 2 , Gd-doped ceria), and LaGaO 3 , and preferably YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ) , SSZ (Sc 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ) and LaCaO 3 , and most preferably YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ), LaCaO 3 or a mixture thereof. there is.

상기 프로톤 전도체는 BaCeO3, BaZrO3, Ba(ZrY)O3, Ba(ZrCeY)O3, SrCeO3, CaZrO3 및 SrZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 페로브스카이트 구조 화합물일 수 있고, 바람직하게는 Ba(ZrCeY)O3, BaZrO3, BaCeO3, SrCeO3 및 CaZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 Ba(ZrCeY)O3일 수 있다.The proton conductor may be one or more perovskite structural compounds selected from the group consisting of BaCeO 3 , BaZrO 3 , Ba(ZrY)O 3 , Ba(ZrCeY)O 3 , SrCeO 3 , CaZrO 3 and SrZrO 3 , Preferably, it may be one or more selected from the group consisting of Ba(ZrCeY)O 3 , BaZrO 3 , BaCeO 3 , SrCeO 3 and CaZrO 3 , and most preferably Ba(ZrCeY)O 3 .

상기 전도성 세라믹 복합체 전해질은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 30:70 내지 70:30 중량비, 바람직하게는 40:60 내지 60:40 중량비, 가장 바람직하게는 50:50 중량비로 혼합된 것일 수 있다.The conductive ceramic composite electrolyte may be a mixture of an oxygen ion conductor and a proton conductor in a weight ratio of 30:70 to 70:30, preferably 40:60 to 60:40, and most preferably 50:50.

상기 암모니아 가스(NH3 gas) 또는 암모늄 이온(NH4 +)을 생산하는 단계에서 암모니아의 농도는 전극의 크기와 사용된 전극 개수 등 운전 조건에 따라 달라질 수 있다.In the step of producing ammonia gas (NH 3 gas) or ammonium ions (NH 4 + ), the concentration of ammonia may vary depending on operating conditions such as the size of the electrode and the number of electrodes used.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1: 전기화학적 암모니아 모듈 제조Example 1: Preparation of electrochemical ammonia module

유기 바인더인 폴리비닐부티랄(Polyvinyl Butyral) 및 용매인 에탄올 및 프로필아세테이트의 혼합물을 포함하는 슬러리 100 중량부에 산소이온 전도체인 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02) 및 프로톤 전도체인 BaCeO3를 50:50 중량비로 혼합하여 총 100 중량부를 투입하여 전도성 세라믹 복합체 전해질 용액을 제조하였다. 그 다음 전도성 세라믹 전해질 슬러리를 이형면에 테이프 캐스팅 방법으로 코팅한 후 그린시트 제조, 적층 및 소결하여 두께가 10 내지 100 ㎛인 이온 분리막을 제조하였다.YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ) as an oxygen ion conductor and BaCeO 3 as a proton conductor were added to 100 parts by weight of a slurry containing a mixture of polyvinyl butyral, an organic binder, and ethanol and propyl acetate, as solvents. A conductive ceramic composite electrolyte solution was prepared by mixing at a weight ratio of 50:50 and adding a total of 100 parts by weight. Next, the conductive ceramic electrolyte slurry was coated on the release surface using a tape casting method, and then a green sheet was manufactured, laminated, and sintered to prepare an ion separation membrane with a thickness of 10 to 100 ㎛.

그 다음 통상의 방법에 의해 상기 산화전극과 환원전극 사이에 상기 이온 분리막을 위치시켜 브러시 페인팅하여 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 제조하였다. 이때, 반응기 내 산화전극으로 Pt가 전기화학적으로 증착된 Pt/Ti 혼합물을 사용하고, 환원전극으로 LaCoO3을 사용하였다. 또한 산화 전극액으로는 0.1 M Na2SO4를 사용하였고, 환원 전극액으로는 0.05 M의 LiClO4를 사용하였다. Next, an electrochemical ammonia synthesis module was manufactured by placing the ion separator between the anode and the cathode electrode and brush painting it using a conventional method. At this time, a Pt/Ti mixture in which Pt was electrochemically deposited was used as an oxidizing electrode in the reactor, and LaCoO 3 was used as a reducing electrode. Additionally, 0.1 M Na 2 SO 4 was used as the oxidizing electrode solution, and 0.05 M LiClO 4 was used as the reducing electrode solution.

비교예 1: 산소 이온 전도체를 이용한 전기화학적 암모니아 모듈 제조Comparative Example 1: Electrochemical ammonia module production using oxygen ion conductor

상기 실시예 1의 유기 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리 100 중량부에 산소이온 전도체인 LaGaO3 100 중량부를 혼합하여 전도성 세라믹 전해질 용액을 제조하였다. 그 다음 상기 전도성 세라믹 전해질 슬러리를 이형면에 테이프 캐스팅 방법으로 코팅한 후 그린시트 제조, 적층 및 소결하여 두께가 10 내지 100 ㎛인 이온 분리막을 제조하였다.A conductive ceramic electrolyte solution was prepared by mixing 100 parts by weight of LaGaO 3, an oxygen ion conductor, with 100 parts by weight of the slurry containing the organic binder and solvent of Example 1. Next, the conductive ceramic electrolyte slurry was coated on the release surface using a tape casting method, and then a green sheet was manufactured, laminated, and sintered to prepare an ion separation membrane with a thickness of 10 to 100 ㎛.

그 다음 통상의 방법에 의해 상기 이온 분리막에 상기 산화전극과 환원전극을 브러시 페인팅하여 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 제조하였다. Next, an electrochemical ammonia synthesis module was manufactured by brush painting the anode and cathode electrodes on the ion separation membrane by a conventional method.

비교예 2: 프로톤 이온 전도체를 이용한 전기화학적 암모니아 모듈 제조Comparative Example 2: Preparation of electrochemical ammonia module using proton ion conductor

상기 실시예 1의 유기 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리 100 중량부에 프로톤 이온 전도체인 Ba(ZrCeY)O3 100 중량부를 혼합하여 전도성 세라믹 전해질 용액을 제조하였다. A conductive ceramic electrolyte solution was prepared by mixing 100 parts by weight of Ba(ZrCeY)O 3 , a proton ion conductor, with 100 parts by weight of the slurry containing the organic binder and solvent of Example 1.

그 다음 상기 전도성 세라믹 전해질 슬러리를 이형면에 테이프 캐스팅 방법으로 코팅한 후 그린시트 제조, 적층 및 소결하여 두께가 10 내지 100 ㎛인 이온 분리막을 제조하였다.Next, the conductive ceramic electrolyte slurry was coated on the release surface using a tape casting method, and then a green sheet was manufactured, laminated, and sintered to prepare an ion separation membrane with a thickness of 10 to 100 ㎛.

그 다음 통상의 방법에 의해 상기 이온 분리막에 상기 산화전극과 환원전극을 브러시 페인팅하여 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 제조하였다. Next, an electrochemical ammonia synthesis module was manufactured by brush painting the anode and cathode electrodes on the ion separation membrane using a conventional method.

실험예 1: 전기화학적 암모니아 합성Experimental Example 1: Electrochemical ammonia synthesis

상기 실시예 1 및 비교예 1, 2에서 제조된 전기화학적 암모니아 합성 모듈을 이용하여 통상의 암모니아 합성방법에 따라 암모니아 합성을 수행하였다. 암모니아 합성은 상온 및 상압 조건에서 30분 이상 질소 가스를 충분히 주입한 분위기에서 전기화학적 환원전압을 인가한 방법을 이용하여 수득한 암모니아 농도를 측정하였다.Ammonia synthesis was performed according to a conventional ammonia synthesis method using the electrochemical ammonia synthesis module prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. Ammonia synthesis was performed by applying an electrochemical reduction voltage in an atmosphere where nitrogen gas was sufficiently injected at room temperature and pressure for more than 30 minutes, and the resulting ammonia concentration was measured.

수득된 암모니아의 합성 농도는 인도페놀 지시약과 UV-vis 광학측정기를 이용한 인도페놀 블루 방법을 이용하여 측정하였으며, 정확한 측정을 위해서 양이온크로마토그래피(IC)와 15N2 동위원소 질소 기체를 이용한 1H NMR(핵자기공명스펙트럼측정법)로 15NH4 + 이온을 측정함으로써 암모니아의 합성 농도를 검증하였다.The obtained synthetic concentration of ammonia was measured using the indophenol blue method using an indophenol indicator and a UV-vis optical meter. For accurate measurement, cation chromatography (IC) and 1 H using 15 N 2 isotope nitrogen gas were used. The synthesized concentration of ammonia was verified by measuring 15 NH 4 + ions using NMR (nuclear magnetic resonance spectrometry).

그 결과 상기 비교예 1의 산소이온 전도체를 이용한 경우 6.0 x 10-11 mol/cm2·sec1이었고, 상기 비교예 2의 프로톤 전도체를 이용한 경우 1.0 x 10-10 mol/cm2·sec1 의 암모니아 생산 속도를 각각 나타내었다.As a result , when the oxygen ion conductor of Comparative Example 1 was used , it was 6.0 x 10 -11 mol/cm 2 ·sec 1 , and when the proton conductor of Comparative Example 2 was used , the Ammonia production rates are shown, respectively.

반면에 상기 실시예 1의 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 모두 포함한 경우 상기 비교예 1 및 2에 비해 더욱 향상된 2.0 x 10-10 mol/cm2·sec1의 암모니아 생산 속도를 나타내었다. 이를 통해 상기 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 모두 포함한 이온 분리막을 이용 시 기존의 암모니아 합성 공정에 비해 낮은 작동 온도 및 우수한 암모니아 생산 속도를 갖는 것을 알 수 있었다. On the other hand, when both the oxygen ion conductor and the proton conductor of Example 1 were included, an ammonia production rate of 2.0 x 10 -10 mol/cm 2 ·sec 1 was shown, which was further improved compared to Comparative Examples 1 and 2. Through this, it was found that using an ion separation membrane containing both the oxygen ion conductor and the proton conductor had a lower operating temperature and excellent ammonia production rate compared to the existing ammonia synthesis process.

Claims (14)

산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 전도성 세라믹 복합체 전해질을 포함하는 이온 분리막;
상기 이온 분리막의 일면에 형성된 산화전극; 및
상기 이온 분리막의 타면에 형성된 환원전극;
을 포함하는 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
An ion separation membrane containing a conductive ceramic composite electrolyte containing an oxygen ion conductor and a proton conductor;
An anode formed on one side of the ion separation membrane; and
a reduction electrode formed on the other side of the ion separation membrane;
Electrochemical ammonia synthesis module comprising:
제1항에 있어서,
상기 산소이온 전도체는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02, yttria-stabilized zirconia), SSZ(Sc2O3 stabilized-Zr02, scandia-stabilized zirconia), SDC(Sm2O3 doped-Ce02, Sm-doped ceria), GDC(Gd2O3 doped-Ce02, Gd-doped ceria) 및 LaGaO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The oxygen ion conductor is YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2, yttria-stabilized zirconia), SSZ (Sc 2 O 3 stabilized-Zr0 2 , scandia-stabilized zirconia), SDC (Sm 2 O 3 doped-Ce0 2 , An electrochemical ammonia synthesis module that is at least one selected from the group consisting of Sm-doped ceria), GDC (Gd 2 O 3 doped-Ce0 2 , Gd-doped ceria), and LaGaO 3 .
제1항에 있어서,
상기 프로톤 전도체는 BaCeO3, BaZrO3, Ba(ZrY)O3, Ba(ZrCeY)O3, SrCeO3, CaZrO3 및 SrZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 페로브스카이트 구조 화합물인 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The proton conductor is one or more perovskite structural compounds selected from the group consisting of BaCeO 3 , BaZrO 3 , Ba(ZrY)O 3 , Ba(ZrCeY)O 3 , SrCeO 3 , CaZrO 3 and SrZrO 3 Chemical ammonia synthesis module.
제1항에 있어서,
상기 전도성 세라믹 복합체 전해질은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 30:70 내지 70:30 중량비로 혼합된 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The electrochemical ammonia synthesis module wherein the conductive ceramic composite electrolyte is a mixture of an oxygen ion conductor and a proton conductor in a weight ratio of 30:70 to 70:30.
제1항에 있어서,
상기 이온 분리막은 두께가 1 내지 500 ㎛인 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The electrochemical ammonia synthesis module wherein the ion separation membrane has a thickness of 1 to 500 ㎛.
제1항에 있어서,
상기 산화전극은 Ir, Pt, Ti 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 및 제1 촉매를 포함하는 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The electrochemical ammonia synthesis module wherein the oxidizing electrode includes at least one metal selected from the group consisting of Ir, Pt, Ti, and Ni and a first catalyst.
제6항에 있어서,
상기 제1 촉매는 [(La1-xSrx)CoO3-δ](LSC), [(La1-xSrx)FeO3-δ] (LSF), [(La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ] (LSCF), [(LaxSr1-x)TiO3-δ] (LST), [(BaxSr1-x)(CoyFe1-y)O3](BSCF), LaCoO3, LaNiO3, (LaxSr1-x)VO3, Ca(VxMo1-x)O3, [Ba(ZrxCeyY1-(x+y))O3] (BZCY), 및 [Pr(Ba1-xSrx)(Fe2-yGey)O6] (PBSFG)(여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<δ<3이다.)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to clause 6,
The first catalyst is [(La 1-x Sr x )CoO 3-δ ](LSC), [(La 1-x Sr x )FeO 3-δ ] (LSF), [(La 1-x Sr x ) (Co 1-y Fe y )O 3-δ ] (LSCF), [(La x Sr 1-x )TiO 3-δ ] (LST), [(Ba x Sr 1-x )(Co y Fe 1- y )O 3 ](BSCF), LaCoO 3 , LaNiO 3 , (La x Sr 1-x )VO 3 , Ca(V x Mo 1-x )O 3 , [Ba(Zr x Ce y Y 1-(x) +y) )O 3 ] (BZCY), and [Pr(Ba 1-x Sr x )(Fe 2-y Ge y )O 6 ] (PBSFG), where 0<x<1, 0<y<1 , 0<δ<3.) An electrochemical ammonia synthesis module that is one or more types selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 환원전극은 전도성 촉매 및 제2 촉매를 포함하는 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The electrochemical ammonia synthesis module wherein the cathode includes a conductive catalyst and a second catalyst.
제8항에 있어서,
상기 전도성 촉매는 상기 제1 촉매와 동일하고,
상기 제2 촉매는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Au 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to clause 8,
The conductive catalyst is the same as the first catalyst,
The electrochemical ammonia synthesis module wherein the second catalyst is one or more selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Au and Bi.
제1항에 있어서,
상기 산소이온 전도체는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02), LaCaO3 또는 이들의 혼합물이고,
상기 프로톤 전도체는 BaCeO3, SrCeO3 및 CaZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
상기 전도성 세라믹 복합체 전해질은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 40:60 내지 60:40 중량비로 혼합된 것이고,
상기 이온 분리막은 두께가 8 내지 200 ㎛이고,
상기 산화전극은 Pt, Ti 또는 이들의 혼합물 및 제1 촉매를 포함하고,
상기 환원전극은 전도성 촉매 및 제2 촉매의 혼합물인 것인 전기화학적 암모니아 합성 모듈.
According to paragraph 1,
The oxygen ion conductor is YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2 ), LaCaO 3 or a mixture thereof,
The proton conductor is at least one selected from the group consisting of BaCeO 3 , SrCeO 3 and CaZrO 3 ,
The conductive ceramic composite electrolyte is a mixture of oxygen ion conductor and proton conductor in a weight ratio of 40:60 to 60:40,
The ion separation membrane has a thickness of 8 to 200 ㎛,
The oxidizing electrode includes Pt, Ti, or a mixture thereof, and a first catalyst,
The electrochemical ammonia synthesis module wherein the cathode is a mixture of a conductive catalyst and a second catalyst.
산화전극, 이온 분리막 및 환원전극을 포함하는 암모니아 합성 모듈을 이용한 전기화학적 암모니아 합성 방법으로,
산화전극을 포함하는 산화극부에서 전자(e-), 수소이온(H+) 및 산소기체(O2)를 생성하는 단계;
상기 수소이온이 상기 산화극부 및 환원극부 사이에 게재되는 이온 분리막을 통과하는 단계; 및
상기 이온 분리막을 통과한 수소이온이 환원전극을 포함하는 환원극부에 도달하여 암모니아 가스(NH3 gas) 또는 암모늄 이온(NH4 +)을 생산하는 단계;를 포함하고,
상기 이온 분리막은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체를 포함하는 것인 전기화학적 암모니아 합성 방법.
An electrochemical ammonia synthesis method using an ammonia synthesis module including an anode, an ion separation membrane, and a reduction electrode,
Generating electrons (e - ), hydrogen ions (H + ), and oxygen gas (O 2 ) in the oxidation electrode unit including the oxidation electrode;
passing the hydrogen ions through an ion separation membrane disposed between the oxidation electrode and the reduction electrode; and
A step of producing ammonia gas (NH 3 gas) or ammonium ion (NH 4 + ) by allowing hydrogen ions passing through the ion separation membrane to reach the cathode portion including the cathode,
An electrochemical ammonia synthesis method wherein the ion separation membrane includes an oxygen ion conductor and a proton conductor.
제11항에 있어서,
상기 산소이온 전도체는 YSZ(Y2O3 stabilized-Zr02, yttria-stabilized zirconia), SSZ(Sc2O3 stabilized-Zr02, scandia-stabilized zirconia), SDC(Sm2O3 doped-Ce02, Sm-doped ceria), GDC(Gd2O3 doped-Ce02, Gd-doped ceria) 및 LaGaO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 전기화학적 암모니아 합성 방법.
According to clause 11,
The oxygen ion conductor is YSZ (Y 2 O 3 stabilized-Zr0 2, yttria-stabilized zirconia), SSZ (Sc 2 O 3 stabilized-Zr0 2 , scandia-stabilized zirconia), SDC (Sm 2 O 3 doped-Ce0 2 , An electrochemical ammonia synthesis method comprising at least one selected from the group consisting of Sm-doped ceria), GDC (Gd 2 O 3 doped-Ce0 2 , Gd-doped ceria), and LaGaO 3 .
제11항에 있어서,
상기 프로톤 전도체는 BaCeO3, BaZrO3, Ba(ZrY)O3, Ba(ZrCeY)O3, SrCeO3, CaZrO3 및 SrZrO3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 페로브스카이트 구조 화합물인 것인 전기화학적 암모니아 합성 방법.
According to clause 11,
The proton conductor is one or more perovskite structural compounds selected from the group consisting of BaCeO 3 , BaZrO 3 , Ba(ZrY)O 3 , Ba(ZrCeY)O 3 , SrCeO 3 , CaZrO 3 and SrZrO 3 Chemical ammonia synthesis method.
제11항에 있어서,
상기 전도성 세라믹 복합체 전해질은 산소이온 전도체 및 프로톤 전도체가 30:70 내지 70:30 중량비로 혼합된 것인 전기화학적 암모니아 합성 방법.
According to clause 11,
The conductive ceramic composite electrolyte is an electrochemical ammonia synthesis method in which an oxygen ion conductor and a proton conductor are mixed in a weight ratio of 30:70 to 70:30.
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