世界最初로 ‘알킨 하이드로抛밀레이션 反應高效率不均一觸媒’ 開發

東亞日報
入力 2022年 9月 29日 03時 00分

강동영 記者

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서울科學技術大學校老人數敎授

서울科技大(總長 이동훈) 化工生命工學科 노인수 敎授(寫眞)가 美國 캘리포니아대 샌타바버라 캠퍼스 硏究팀과 함께 ‘알킨 하이드로抛밀레이션’ 反應에서 旣存産業界에서 알데하이드(醫藥品, 潤滑劑等을 生産하기 위한 必須原料)를 만드는 工程에서 80餘年 동안 使用되어 온 均一觸媒를 代替할 수 있는 不均一觸媒를 開發했다.

盧敎授가 새로 開發한 不均一觸媒(heterogeneous catalyst)는 旣存産業界에서 使用하던 均一觸媒(homogeneous catalyst)와 비슷한 96%의 選擇도(selectivity)를 보일 뿐 아니라, 使用後生成物分離 및 再活用을 할 수 있어 錠劑를 위한 廢水減少와 公正의 經濟性向上을 보일 것으로 期待된다.

알킨 하이드로抛밀레이션 反應은 알킨, 一酸化炭素, 水素를 알데하이드로 轉換하는 데 使用되어 왔다. 알데하이드는 主로 可塑劑, 醫藥品, 潤滑劑等을 만드는 데 使用된다.

全世界的으로 하이드로抛밀레이션 反應을 통해 年間約 1200萬 t의 알데하이드를 生産하고 있으나, 不均一觸媒의 낮은 選擇도(selectivity) 때문에 化學工程에는 只今까지 均一觸媒爲主로 適用되어 왔다.

로디움 基盤均一觸媒는 優秀한 活性과 選擇性 때문에 現在化學工程에서 널리 使用되고 있지만, 均一觸媒의 特性上觸媒로부터 生成物의 分離 및 觸媒의 再活用이 어려운 短點을 가지고 있다. 特히, 貴金屬中에서 가장 高價인 로디움 金屬(白金價格의 約 16倍)의 觸媒再活用이 公正의 經濟性向上을 위해서 꼭 必要한 實情이다. 또한, 均一觸媒는 公正後에 觸媒로부터 生成物의 分離가 어려워 廢水發生量이 增加하는 等의 問題點도 지니고 있다.

이러한 問題點을 解決하기 위해 알킨 하이드로抛밀레이션 反應에서 均一觸媒를 代替할 不均一觸媒를 開發하는 硏究가 活潑히 進行되고 있다.

로디움-텅스텐 단원자 쌍 촉매의 에틸렌 하이드로포밀레이션 이중 기능(bifunctional) 반응 메커니즘: 로디움-텅스텐 단원자 쌍 촉매 내 텅스텐 단원자에 에틸렌이 흡착되고, 흡착된 에틸렌이 로디움 단원자로 이동하는 방식을 통해 제2의 활성점(제1의 활성점: 로디움 단원자)으로 작용하고 있다. 로디움과 텅스텐 단원자가 모두 반응에 참여하는 이중 기능(bifunctional) 메커니즘을 통해 낮은 선택성을 초래했던 일산화탄소에 의한 로디움 금속의 피독 현상을 해결하였다. — **로디움-텅스텐 單原子雙觸媒의 에틸렌 하이드로抛밀레이션 二重機能(bifunctional) 反應 메커니즘:** 로디움-텅스텐 單原子雙觸媒內 텅스텐 單原子에 에틸렌이 吸着되고, 吸着된 에틸렌이 로디움 團員字로 移動하는 方式을 통해 第2의 活性點(第1의 活性點: 로디움 單原子)으로 作用하고 있다. 로디움과 텅스텐 單原子가 모두 反應에 參與하는 이中機能(bifunctional) 메커니즘을 통해 낮은 選擇性을 招來했던 一酸化炭素에 依한 로디움 金屬의 피독 現象을 解決하였다.

支持體 위에 올라간 로디움 金屬의 나노 粒子 크기(幾何學的構造)를 制御하거나, 루이스 産을 結合시키면 不均一觸媒의 選擇性이 向上한다는 다양한 先行硏究結果가 報告되었지만, 로디움 金屬表面이 反應物中 하나인 一酸化炭素에 依한 피독(poisoning) 現象을 보여 알데하이드로 生成에 있어 낮은 選擇性을 보여왔다.

이에 盧敎授와 캘리포니아對硏究팀은 로디움 金屬의 粒子 크기를 單原子로 줄이고, 텅스텐 酸化物을 로디움 單原子 옆의 原子單位距離에 位置시킴으로서 該當工程에서의 選擇性을 極大化했다.

로디움 單原子 옆에 原子單位距離로 位置시킨 텅스텐 酸化物은 텅스텐의 救助(單原子-單層(monolayer)-多層(3 dimensional-WO3)에 따라 反應選擇性이 變하는 것을 發見하였다.

텅스텐이 單原子構造로 로디움 單原子 옆에 位置(로디움-텅스텐 單原子雙)할 때, 텡스텐 單原子가 에틸렌을 吸着하는 方式으로 제2의 活性點(第1 活性點: 로디움 單原子) 役割을 遂行한다는 것이다.

로디움-텅스텐 單原子 모두 反應에 參與하는 이中機能(bifunctional) 메커니즘을 통해, 旣存 낮은 選擇性을 招來했던 一酸化炭素에 依한 로디움 金屬의 피독 現象을 解決했으며 該當反應에서 無慮 96%의 選擇度를 記錄했다.

96%의 選擇度는 旣存 로디움 基盤均一觸媒와 相應하는 選擇道路, 現在까지 不均一觸媒를 利用한 工程에서는 報告된 적이 없는 높은 反應性이다.

이番에 새로 開發된 ‘로디움 텅스텐 單原子雙不均一觸媒’는 높은 活性과 選擇性으로, 向後에는 旣存에 産業工程에서 使用되고 있던 로디움 基盤의 均一觸媒를 代替할 수 있을 것으로 期待된다.

第1 著者인 盧敎授는 “이番硏究를 통해 環境에 해롭고 再活用이 어려움에도 不拘하고 높은 活性 때문에 旣存까지 하이드로抛밀레이션 反應에서 主로 使用되어 온 로디움 基盤均一觸媒를 代替할 수 있는 새로운 不均一觸媒를 世界最初로 提示하는 成果를 얻었다”라며 硏究의 結果를 밝혔다.

이番硏究結果는 9月 8日(木) 出版된 네이처誌에 揭載됐다.

강동영 記者 kdy184@donga.com

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