Electrochemical conversion of nitric oxide (NO) to ammonia (NH3) provides a breakthrough way to transform a harmful air pollutant into a value-added resource. Today’s development of NO electroreduction remains hindered by the poor solubility of NO in aqueous electrolytes, and it requires the use of highly concentrated NO gas. Here, we introduce a NO electrolyzer with gas diffusion electrode (GDE) using dilute NO as a feed gas to significantly improve the NO mass transport. However, although the gas diffusion electrode improved the rate of delivering low-concentration NO to the catalyst layer, it promoted side reactions by changing the NO coverage on the catalyst surface, thereby lowering the product selectivity of the reduction reaction to ammonia. Therefore, in order to improve product selectivity, we incorporated nanoscale zero-valent iron (NZVI) to carbon, and density functional theory revealed the effective breakage of N–O bond of H2NO intermediate on iron, thereby increasing the ammonia selectivity. The catalyst exhibited 165 mAcm-2 of NH3 partial current density through further optimization of the operating parameters at the condition of 10% NO and 0.5 M H2SO4 electrolyte. In addition, the copper catalyst, which has recently been reported to have high activity for the NO reduction reaction, was investigated, and the shape evolution of the catalyst during the reaction was discovered, and its effects and causes were investigated. Through this doctoral thesis research, an innovative method to convert harmful air pollutants into value-added resources was demonstrated, and this is expected to change the paradigm for sustainable environmental processes to offer one avenue to treat air pollutant and produce valuable NH3 simultaneously.
질소산화물은 화석연료의 연소 시 발생하는 대기오염물질 중 하나로, 최근 국내에서 심각한 문제로 대두되고 있는 미세먼지의 2차 생성 전구물질이기도 하다. 배기가스 내에 포함되어있는 질소산화물은 95% 이상 일산화질소로 이루어져 있어 배기가스 후처리에 있어 일산화질소 제거가 중요하다. 본 연구에서는 저농도의 일산화질소를 전기화학적 방법으로 제거 및 유용물질인 암모니아로 전환할 수 있는 전기분해 시스템에 대해 연구하였다. 난용성 기체인 일산화질소의 물질전달 속도를 향상시키기 위해 가스확산전극을 도입하였다. 하지만 가스확산전극은 저농도의 일산화질소를 촉매층까지 전달하는 속도를 향상시켰지만, 전극 표면의 일산화질소 coverage를 변화시켜 부반응을 촉진해 암모니아에 대한 환원반응의 생성물 선택도를 낮추었다. 이에, 생성물 선택도를 개선하고자 탄소가 지지된 철 나노 입자 촉매를 가스확산전극에 담지하여 그 효과에 대해 조사하였다. 그 결과, 철은 일산화질소 환원 반응 중간체의 질소–산소 결합을 끊는 역할을 하여 암모니아 선택도를 높이는 것으로 확인되었다. 이후 암모니아 생산속도를 경제성이 있는 수치까지 향상시키고자 전기분해 셀의 운전변수에 대한 최적화 연구를 수행하였다. 여러 운전변수를 조절함으로써 10% 일산화질소 가스로부터 165 mAcm-2 에 해당하는 암모니아 생산속도를 확보하였다. 또한 일산화질소 환원 반응에 대한 활성이 높은 것으로 최근 보고되고 있는 구리 촉매에 대해 조사하여 반응 중 촉매의 형상 변화를 발견하고 그 효과와 원인에 대해 탐구하였다. 본 박사학위 논문연구를 통해 유해한 대기오염물질을 부가가치 자원으로 전환할 수 있는 획기적인 방법을 입증하였으며, 이는 지속가능한 환경공정에 대한 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대된다.
