한 가지 가능한 해결책은 액체 암모니아(NH3)를 사용하여 수소 원자를 저장한 다음 연료로 수소를 추출해야 할 때 화합물을 분해하는 것이다. 암모니아는 저장 및 운송이 훨씬 쉽지만 수소를 추출하는 것은 까다롭다.

암모니아 분해를 촉발하는 한 가지 방법은 반응을 촉매하는 루테늄 원자 클러스터로 장식된 구리 나노입자를 사용하는 것이다.

이 나노입자에 초고속 레이저 펄스를 비추면 그 효과는 표면의 전자를 여기시켜 양전하를 띤 정공을 남길 수 있다. 함께, 이 전자-정공 쌍은 암모니아와 같은 분자와 쉽게 반응한다. 이 다단계 공정은 궁극적으로 순수한 수소를 방출하여 다음 반응을 위해 촉매 작용을 하는 나노입자를 변경하지 않고 그대로 둔다.

과제: 이 기술의 이점에도 불구하고 공정에 가장 적합한 루테늄 광촉매는 희귀하고 비용이 많이 들기 때문에 산업 규모에서 공정을 재현하기가 특히 어렵다.

또는 루테늄을 철과 같이 저렴하고 풍부한 "전이" 금속으로 대체하여 암모니아를 분해할 수 있다. 그러나 이 접근 방식에는 고유한 문제가 있다.

백금족 금속에 속하는 루테늄과 같은 원소와 비교할 때, 전이 금속은 암모니아가 분해되는 동안 중간 생성물과 훨씬 더 강한 결합을 형성하여 반응이 더 진행되지 않도록 한다.

반응을 일으키기 위해서는 전이 금속 광촉매를 대신 400도가 넘는 온도로 가열해야 한다. 이것은 궁극적으로 루테늄을 사용하는 것보다 비용이 많이 들고 훨씬 더 에너지 집약적인 프로세스를 만든다.

LED 및 양자 시뮬레이션: 휴스턴 라이스 대학의 나오미 할라스(Naomi Halas)가 이끄는 연구팀은 이 문제를 해결할 방법을 막 찾았을 수 있다. 전이 금속을 가열하는 대신 팀은 밝고 미세하게 조정된 LED로 조명했다.

철의 성능은 훨씬 더 비싼 루테늄 코팅 나노입자와 동등한 수준을 유지했다.

이 빛의 주파수와 강도를 최적화하기 위해 연구원들은 프린스턴 대학교의 Emily Carter와 동료들이 수행한 일련의 양자 시뮬레이션에서 도출했다. 이러한 가상 실험을 사용하여 그들은 LED의 빛과 나노입자 표면에 형성된 전자-정공 쌍 사이에서 발생하는 분자 규모의 상호 작용을 조사했다.

이처럼 매우 복잡한 반응을 예측할 수 있는 능력을 통해 Halas 팀은 LED 조명을 화학 에너지로 변환하기 위한 최적의 설정을 구축할 수 있었다. 실험에서 그들은 철 원자 클러스터로 장식된 구리 나노입자를 조명한 다음 액체 암모니아에서 추출할 수 있는 순수한 수소의 양을 측정했다.

수소 생성: 다음 몇 시간 동안 암모니아 분자는 전이 금속이 광촉매로 사용된 이전 실험보다 수천 배 빠르게 분해되었다.

6시간 후, 철의 성능은 훨씬 더 비싼 루테늄으로 코팅된 나노입자와 동등한 수준을 유지했다. 둘 다 고온이 필요하지 않고 비슷한 농도의 금속 원자를 사용했다.

생산 확대: 남아 있는 가장 큰 장벽 중 하나는 우선 기존 암모니아 생산 방법을 개선해야 한다는 것이다. 현재로서는 화석 연료가 높은 온도와 압력에 노출되어야 하는 에너지 집약적인 공정이다.

그러나 일단 생산되면 액체 암모니아는 상온과 압력에서 쉽게 저장하고 운반할 수 있으므로 수소 연료를 직접 저장하는 것보다 훨씬 더 현실적인 대안을 제공한다. 천연가스에 의존하는 현재 공정이 아닌 태양에너지로 만든 그린수소로 암모니아를 생산하려는 노력도 진행 중이다.

게다가 LED는 이미 전기 에너지를 빛으로 변환하는 데 매우 효과적이며 이 효율성의 개선은 향후 몇 년 동안 더욱 급증할 것으로 예상된다. 결과적으로 LED 조명은 재생 가능 에너지원에 의해 점점 더 풍부하게 생산될 수 있으며 기후 변화와의 싸움에서 앞으로 나아갈 유망한 경로를 제시한다.