将半导体工艺“温室气体”转化为清洁空气的催化剂问世

by Jeong Ilwoong

Published 28 May.2024 12:01(KST)

在半导体和显示器生产工艺中大量排放的温室气体，被转化为清洁空气的技术已经研发成功。

韩国能源技术研究院（以下简称能源研）28日表示，该院氢融合复合材料研究室的研究团队在Park Ishingeun博士带领下，开发出一种可将一氧化二氮（N2O）分解为空气主要成分氮气（N2）和氧气（O2）的催化剂。

研究团队开发的催化剂
研究人员手中分别拿着通过挤出方式制备的氧化铝载体（左）和覆铜蛋壳型一氧化二氮分解催化剂（右）。韩国能源技术研究院提供

一氧化二氮是一种无色气体，其全球变暖潜势值比二氧化碳高出300倍以上。此外，它在大气中的停留时间长达120年，被视为典型的温室气体。

其主要应用领域包括医用麻醉剂、制冷剂、助燃剂以及半导体和显示器制造工艺等。其中，半导体和显示器产业是截至今年4月占韩国全国总出口额20%的支柱产业，随着需求持续增加，预计将保持稳定增长。

半导体等产业越是活跃，一氧化二氮的使用量也不可避免地随之增加，因此业界一直持续提出有必要开发实现碳中和的环保工艺。

在半导体、显示器生产（沉积）过程中，一氧化二氮作为形成绝缘膜和清洗所必需的要素，以残余气体形式残留，或在工艺中的化学反应中生成。

一氧化二氮可通过燃烧、等离子体和催化分解等方式进行分解。但燃烧方式在分解过程中会产生二氧化碳、氮氧化物等温室气体；利用等离子体分解时，则存在氮氧化物生成量大、电力消耗高等问题。

相比之下，催化分解方式在低温条件下也能分解大量排放气体，并且不会生成氮氧化物，被评价为最环保的分解方式。

不过，迄今为止，催化分解方式虽已应用于硝酸制造工艺等领域，却未用于半导体制造工艺，其原因在于尚未开发出可分解最高达15%高浓度一氧化二氮的技术。

因此，研究团队此次开发出能够将半导体、显示器工艺中产生的一氧化二氮转化为清洁空气的催化剂，具有重要意义。

研究团队开发的催化剂在1%～20%不同浓度条件下，均展现出将一氧化二氮分解99%以上的优异性能。尤为重要的是，即使连续运行500小时以上，催化剂性能也未出现下降，从而确保了长期耐久性。

（前排自左起顺时针）Shin-Geun Lee 责任研究员、Se-Gi Byun 资深研究员、Hyo-Jeong Hwang 技术员、Du-Won Seo 首席技术员、Eun-Han Lee 学生研究员正在合影留念。韩国能源技术研究院提供

用铜替代以往用作分解催化剂的高价钌，也是值得关注的一点。铜比钌更廉价，同时具备优异的氧化还原反应性能。

研究团队解释称，沿载体表面薄而均匀分散的铜，可最大化引发一氧化二氮分解反应的表面积，使吸附在表面的一氧化二氮迅速转化为氮气和氧气，从而防止其进一步化合生成氮氧化物。

为将该催化剂应用于实际工艺，研究团队目前正与催化分解系统企业持续合作，预计最早将于今年下半年进入商业化阶段。

实际上，在催化剂内部采用了既耐热耐力、又制造工艺极为简便的氧化铝载体，因此量产可能性很高。载体通过类似挤出年糕条形状的简单挤出工艺制成，其表面采用喷雾式喷涂工艺，使铜催化剂得以薄层铺展。研究团队强调，即便采用如此简单的工艺，在实验室规模下也可实现每天30公斤以上的催化剂生产。

Park Ishingeun博士表示：“本研究团队开发的催化剂能够将半导体和显示器工艺中实际排放的从1%以下到20%以上浓度的一氧化二氮分解99%以上。尤其是由于制造工艺简单，便于大规模生产，因此具有很高的商业化潜力。”

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。