전기화된 탄화수소

Nature Communications 14권, 기사 번호: 1954(2023) 이 기사 인용

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화학제품 제조는 온실가스를 가장 많이 배출하는 산업 중 하나입니다. 관련 배출량의 절반 이상이 암모니아와 메탄올, 에틸렌 글리콜, 테레프탈산과 같은 산화제의 합계에 기인합니다. 여기서 우리는 전기로 구동되는 양극 탄화수소에서 산소산염으로의 전환과 물의 음극 H2 진화 반응을 결합하는 전해조 시스템의 영향을 탐구합니다. 우리는 양극성 탄화수소에서 산소산염으로의 전환이 높은 선택성으로 개발되면 화석 기반 NH3 및 산소산염 제조와 관련된 온실가스 배출을 최대 88%까지 줄일 수 있음을 발견했습니다. 우리는 온실가스 배출을 순감소하기 위해 저탄소 전기가 필수는 아니라고 보고합니다. 현재 미국이나 중국에서 사용할 수 있는 MWh당 탄소 발자국을 가진 전기를 사용하더라도 전 세계 화학 산업 배출량은 최대 39%까지 줄일 수 있습니다. 우리는 이 연구 방향을 시작하려는 연구자들을 위한 고려 사항과 권장 사항으로 결론을 내립니다.

화학제품 제조는 전 세계 산업 배출량의 18%를 차지하는 온실가스(GHG)의 가장 큰 원인 중 하나입니다1. 이러한 화학물질 배출 중 85%는 화석 기반 에너지 및 공급원료의 대량 소비로 인해 발생하며, 15%는 현재 열화학 생산 방법의 불완전한 선택성으로 인해 직접 배출됩니다. 탄화수소 공급원료의 상당 부분이 모든 과정에서 산화됩니다. 원하는 부분 산화 생성물 대신 이산화탄소(CO2)로 전환하는 방법2. 따라서 완전히 탄소 중립으로 전환하려면 단순히 에너지원을 화석 연료에서 재생 가능 에너지로 전환하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 오늘날의 공정은 탄화수소를 CO2로 산화시키지 않는 대체 에너지로 대체되어야 합니다.

모든 화학물질을 고려할 때, GHG 배출량의 50% 이상이 암모니아(NH3)와 화학물질의 일부로 산소를 함유하는 메탄올, 산화에틸렌, 에틸렌글리콜, 산화프로필렌, 페놀, 테레프탈산과 같은 산소화물의 합계에 기인합니다. 구조2. 따라서 이러한 화학물질을 제조하는 새로운 공정에 대한 헌신적인 연구는 순 온실가스 배출량을 줄이는 데 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

에틸렌, 프로필렌, p-자일렌과 같은 탄화수소의 부분 산화를 통한 산소화물 생산은 플라스틱 및 섬유 산업에 중요합니다. 이러한 공정은 일반적으로 기능화를 위해 불활성 탄화수소를 활성화하기 위해 고온 및 압력에서 발생합니다. 이러한 반응의 발열 특성으로 인해 열폭주를 억제하고 탄화수소가 CO2로 완전히 산화되어 목표 산소화물의 선택성을 제한하는 것을 최소화하려면 광범위한 냉각도 필요합니다. 예를 들어, 에틸렌의 약 80%만이 최종 제품인 산화에틸렌에 통합되고 나머지는 직접 CO2 배출로 전환됩니다(그림 1A)3.

열촉매 탄화수소에서 산소화합물 공정(자세한 현재 공정은 그림 S1-6에서 찾을 수 있음)과 메탄 개질 및 수성 가스 전환 반응을 통한 H2 생산의 개념적 개략도입니다. 빨간색 화살표는 그림 1C의 직접 배출원을 나타냅니다. B 2030년 화학산업의 연간 요람에서 관문까지 온실가스 배출량08,49,55,56,57. C NH3 제조의 연간 요람에서 게이트까지 배출과 공급원료로의 탄화수소 산화, 직접 배출 및 폐기물 처리, 열 에너지 및 전기를 분석합니다.

이제 환원 반응으로 넘어가면 NH3 제조는 화학 산업의 전 세계 GHG 배출에 가장 큰 단일 기여자입니다2. 이는 NH3 생산량이 많기 때문입니다. 전 세계 식량 생산량의 절반 이상이 암모니아 기반 비료에 의존합니다. GHG 배출의 대부분은 수소(H2) 공급원료를 생산하기 위한 메탄 개질 및 수성 가스 전환 반응에서 직접적으로 발생합니다(그림 1A).