최신의 성공을 줄 압력과 온도는 동안 NH3 합성 때문에 개발의 새로운 촉매가 여전히지 않았거의 주요 단점은 이 Haber–Bosch 프로세스로 실행에 의해 재생 가능 에너지(시나리오)—의 부족을 따라 할 수있는 능력 전원 입력합니다., 전기화학의 합성 암모니아(시나리오 B,C),주요 원자로입니다 electrolyser 될 것이 완벽하게 할 수 있 다음과 같은,부하로 이미 증명되었으로 물 전기분해. 두 노선이 필요 낮은 압력 및 온도에서 비교하 Haber–Bosch process,그들의 에너지 효율성을 할 수 있었다,원칙적으로는,실제 현재의 밀도에 도달,효율성을 입증한 물 전기분해(70%에 대한 시나리오 B50%에 대한 시나리오 C). 시나리오 B 와 C 의 효율성은 A 보다 높습니다., 효율성기로 합의 효율성의 세계—물 전기분해(70%),수소 여압(90%)및 암모니아 합성(방정식(1)),그 자체가 기능의 많은 매개 변수를 포함하여,압력,온도,재순환 평가,암모니아 분리 및니다.,
여러 가지 전해질 사용되었습에서 전기화학 암모니아 합성(방정식(6)):체 전해질을 등 PEM8,AEM,고온,양성자 conducting9 및 산소 conducting10 단단한 산화물을 막고 액체 전해질과 같은 기본적인 수성 및 산성 전해질,이오니아 liquids11 고 더 많은 실용적인 용융 알칼리 hydroxides12 또는 염화 salts13., 전기분해에서 산성 전해질의 축적에서 결과 암모늄 염 용액에서의 변경을 솔루션의 pH,는 지속적인 프로세스 가능성이,그래서 이 프로세스는 대부분 사용되 electrocatalyst 심사입니다. 또한,용액에서의 전기 분해는 질소의 낮은 용해도에 의해 방해 받는다. 따라서 가스 확산 전극의 설계는 높은 생산 속도에 중요합니다.,
의 다양한 electrocatalysts 에 이용되어 왔 전기화학 암모니아 합성과 같은 지원되지 않는 소중한 금속 및 금속 산화물 또는 금속 질화물,에 따라 pH 고 전해질로 신체적 상태(고체,중합체 또는 액체)14. 질소 도핑 된 탄소,BN 및 흑색 인과 같은 전이 금속이없는 촉매도보고되었다. 설계 촉매를 활성 및 선택적으로 이는 질소 감소 반응(NRR)은 매우 바람직한 것은 그들 모두 사용하도록 높은 faradaic 효율성(FE),고 NH3 생산 비율.,
표준 전기화학 세포 잠재력에 대한 반응에서식(1)및(6)는 -0.057V1.172V,각각에 따라 상태의 제품이(가스,솔루션 또는 protonated 이온)pH(전동+0.27V NH4+에서 산성 미디어)15. 하나는 후자의 전위가 물 전기 분해(1.23V,식(5))에 매우 가깝다는 것을 알 수있다. 따라서 수소 진화 반응(HER)은 시나리오 B 와 C 에서 NRR 에 대한 가장 경쟁적인 반응입니다., NRR 이 선호하는 낮은 온도에서,그 사이의 차이를 이론적인 셀룰라 전위의 반응에 방정식(5)(6)감소,온도 및 위 390oC 그녀가 열역학적으로 유리한입니다.
HER 와 NRR 에 대한 전위의 근접성은 전기 화학적 암모니아 합성에 근본적인 문제를 일으키며,이는 식(1)과(6)의 반응의 낮은 FE 를 초래한다. 이 낮은 효율은 높은 에너지 소비와 원치 않는 수소 생성을 초래합니다. 모든 경우에,그녀의 속도는 nrr 의 속도보다 전극 전위로 빠르게 증가한다., 이 때문에,페 암모니아의 electrosynthesis 에서 최대는 상대적으로 낮은 셀 전압(일반적으로 약 0.2V 비 몇지만,그것은 이상이 될 수 있는 부정적인 때 양성자 농도가 낮은,예를 들어,이온성 액체). 따라서,일정한 잠재적인 전기 분해하는,일반적으로 선호하는 산업보다는 일정한 현재의 전기분해 정확한 잠재적인 통제에 필요한 극대화하는 암모니아를 생산합니다.
그녀를 억제하는 두 가지 접근법이 있습니다., 첫 번째는 nrr 에 실용적인 전위에서 그녀를 촉매하지 않는 선택적 전기 촉매의 개발이다. 예를 들어,단일 원자 Ru 촉매에 ZrO2 의 첨가는 그녀를 억제하여 21%의 더 높은 NH3FE 를 제공한다(ref. 16). 두 번째 방법을 감소시키는 것의 가용성을 양성자에 촉매,표면을 줄여 양성자의 활동이,예를 들어를 사용하여 기본적인 전해질은 높은 pH. 이러한 관점에서의 사용 AEM 를 제공해야 더 나은 효율성보다는 PEM., 액체 전해질,그것은 감소하는 양성자 활동의 농도가 증가 소금에는 매우 높은 고형(예를 들어,사용 21M 솔루션의 LiTFSI 에 물이 줄어 그녀의 잠재적인보다 1V)17 또는 사용하는 유기농 양성자를 기증자와 낮은 분리 상수 등에탄올 또는 급 ammonium18.,
는 다른 방법은 별도의 질소 감소 및 암모니아를 형성 단계에서 실현단계 합성을 포함한 전기화학(방정식(7))및 화학 NRR 및 암모니아성 반응(방정식(8)(9)). 전기 화학적 NRR 을 피하는이 방법은 Ceramatec19 에 의해 특허되었으며 Stanford20 의 연구 그룹에 의해 연구되었습니다.
전기분해의 수용성 염 리 양극에서,프로필렌 탄산에서 음극으로 구분해 LISICON,수익률은 전착 리 금속는 다음 세척이 나와 함께-THF 고 반응하는 질소. 1 의 암모니아 합성 속도.,88×10-9mol cm–2s–1 은 1.39mAh cm–2 의 용량과 총 FE 가 약 50%인 Li 에 대해 시연되었다(ref. 21). 이 경로는 필요한 많은 양의 리튬 메탈(방정식(7),(8)(9)),그리고 훨씬 더 많은 에너지 보다 직접적인 전기화학(시나리오 B)도 전기-Haber–Bosch(시나리오)pathways20. 따라서,이 기술에만 의미가의 경우에 매우 저렴한 전기와 높은 전류 밀도가되는,자본 비용을 줄.,
의 주요 장점 전기화학 암모니아 합성에 비교해 시나리오의 사용만 한 electrolyser 스택을 대신 두 가지 주요 부분의 자본 설비(이용이 부정 때 H2 에 사용되는 전기 화학적 과정에서 시나리오 C),의 고용 또는 주변에서 약간 높은 압력과 낮거나 중간의 온도,잠재적으로 낮은 에너지 소비,그리고 가장 중요한 것은,적응하는 능력을 간헐적으로 전원을 입력합니다., 또한,의 사용 공기는 대신 순수한 질소 함께 피온 멤브레인 결과를 만에 약한 감소에 있는 성능(1.1×10–9mol cm–2s–1 대 3.1×10–9mol cm–2s–1)8. Haber-Bosch 공정에서 산소의 흔적조차도 촉매 성능을 극적으로 감소 시키므로 N2 순도에 대한 요구 사항이 매우 높습니다. 가능한 경우,공기 또는 질소의 감소 순도,하나의 챔버 cell22,채택되어야 하는 실질적으로 줄이기 질소 공급 원료 비용입니다.,
NRR 에서 용융 NaOH–코(180-260°C)에서 니켈 다공성 전극과 함께 나노 Fe3O4 촉매를 생성 암모니아서 주변압 FE14.2%율 4.4×10-9mol cm–2s–1(ref. 23). 증가 FE 추가가 가능한 경우에는 수소를 생산에 의해 반응에 방정식(4)재생에 다시 cathode24,와 반응하는 질소를 통해 기존의 반응(혼합 시나리오 B and C).
결합 플라즈마 질소 활성화 및 전기화학 암모니아 합성 결과 고 FE(100%)에서 높은 전류 밀도(200mA cm–2)없이 모든 촉매이다.,25 주목해야한다는 접근 방식을 증명에서 비커 셀룰라와 매우 작은 Pt 전극(1mm2)및 저렴한 에너지 소비 플라즈마에 의해 생성되는 아주 높음(2,270kWh kg–1NH3). 실용적인 원자로 설계로의 전환은 에너지 소비의 실질적인 감소로 이어질 수 있으므로보다 경쟁력있는 기술이됩니다.,
현재,보도 요금의 전기화학 암모니아 생산(10-9 을 10-11mol cm–2s–1)가 너무 낮다(적어도 두 배나 높은 필수),에너지 소비는 너무 높기 때문 FE 고 높은 세포에서 전압 상당한 현재의 밀도를 구현합니다. 지금까지,최 FE 결과에 대한 반응에 방정식(5)증명서 녹은 전해질은—알칼리 금속 염화물과 함께 추가되는 Li3N(70-80%FE)26 및 수산화물(35%FE)12.