바이오연료 생산에 응용할 새로운 나노하이브리드 촉매

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-05

물-오일 에멀젼(water-oil emulsion)을 안정화시키고 액/액 계면에서 반응을 촉진시킬 수 있는 새로운 고체촉매(solid catalyst)가 오클라호마대학 연구팀에 의해 개발되었다. 재회수가 가능하고 동시에 에멀젼을 안정화시킬 수 있는 이와 같은 촉매는, 바이오매스 정제(biomass refining)와 같은 공정에서 큰 이점을 나타내고 있다. 바이오매스 정제공정은 원유정품의 열적 불안정성과 비혼합성은 정제공정을 매우 복잡하게 한다. Crossley 등의 본 연구결과는 사이언스지 1월 1일자에 게재되었다. 저자는 무기산화 하이브리드 나노입자(inorganic oxide hybrid nanoparticles)인 탄소 나노튜브에 팔라듐을 침작시켰다. 이 산화물은 친수성이며, 탄소 나노튜브는 소수성이며 유기층에 머문다. 본 촉매는 거대한 계면활성제처럼 존재하지만, 계면활성제와는 달리 나노입자는 고체이기 때문에 쉽게 분리할 수가 있다. 연료와 혼합될 수 없는 친수성 부산물을 분리하기 위한 정제공정 동안 다중의 연속 정제단계를 거치는 대신에, 단일 반응물의 상-전이 조건하에서의 순차반응으로 진행하는 것이 바람직하다. 그러나 본 시스템의 치명적인 단점은 계면활성제와 최종 제품의 혼합물을 분리하기 어렵다는 것이다. 고체 입자는 더 쉽게 회수되고 많은 경우에 물과 유기 에멀젼을 안정화시키지만, 본 고체 안정화 에멀젼은 촉매로 널리 사용되고 있지 못하다. 게다가, 두 개 의 상을 갖고 물의 함량이 30%에 달하는 바이오 오일의 정제와 같은 경우, 촉매반응의 가장 효율적인 방법은 고체 촉매를 액/액 계면에 위치시키고 에멀젼이 형성하는 계면의 면적을 넓히는 일이다. 그렇지 않으면, 촉매입자는 물과 같이 밀도가 높은 상에 머물게 된다. 이런 경우, 오직 수용성 분자만이 촉매의 영향을 받게 된다. 만약 소수성 분자를 반응시키려면, 반응기 윗부분에서 소수성 물질을 제거하여 다른 반응기의 유기상 안에서 촉매와 반응시켜야 한다. 그러므로, 에멀젼을 안정화시키고 두 가지 상 모두에서 반응을 동시에 진행시킬 수 있는 고체입자는 매력적인 개념인 셈이다. 본 연구에서 저자는 팔라듐 침착에 영향을 미치는 두 가지 다른 종류의 나노튜브를 이용하여 연구하였다. 연구팀은 바이오매스 정제와 관련된 몇 가지 반응으로부터 얻은 결과를 발표하였다; 산소의 제거와 작은 분자의 응축. 전자는 리그닌에서 추출한 페놀화합물과 같은 분자내 산화된 기능기의 높은 반응성에 의해 야기되는 낮은 안정성을 개선하는 역할을 한다. 후자는 바이오매스 (셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스)에서 추출한 저분자량의 물질의 분자량을 증가시키는데 특히 중요하다. 두 가지 상을 가진 시스템에서 액/액 계면에서의 촉매를 이용하는 이점은, 두 개가 아닌 한 개의 반응기에서 순차적인 반응을 수행할 수 있는 가능성이다. 본 연구결과는 계면에서의 고체 촉매의 응용가능성을 강조한 것으로, 부가적인 기능기를 가진 에멀젼 안정화 촉매를 각기 다른 반응에 맞도록 조작할 수 있을 것으로 기대된다. 첨부그림> 고체 안정화 에멀젼의 물/오일 계면에서 발생하는 반응을 묘사한 그림. 반응온도에 따라 주 반응은 수화, 가수분해 또는 카보닐기 이탈반응이 될 수 있으며, 상대 용해도에 따라 최종 물질은 수상에 남아 있거나 유기상으로 이동할 수 있다. Resources: (1) Steven Crossley, Jimmy Faria, Min Shen, Daniel E. Resasco (2010) Solid Nanoparticles that Catalyze Biofuel Upgrade Reactions at the Water/Oil Interface. Science Vol. 327. no. 5961, pp. 68 - 72 doi: 10.1126/science.1180769/ (2) David J. Cole-Hamilton (2010) Janus Catalysts Direct Nanoparticle Reactivity. Science Vol. 327. no. 5961, pp. 41 - 42 doi: 10.1126/science.1184556 Schematic illustration.png 출처 : http://www.greencarcongress.com/2010/01/crossley-20100104.html#more