국가 선진 산업 과학 기술 연구소 [Ishimura Kazuhiko의 회장] (이하 "AIST"로 언급됨) 제로 방출 국제 공동 연구 센터 [Yoshino Akira 회장 인 Yoshino Akira의 회장] Himeda Yuichiro 최고 연구원, 에너지 보존 연구 팀, 에너지 보존 연구원 [에너지 보존 연구원의 에너지 보존 연구원] 기술 그룹 Kanega Isatsu 연구원들은 새로 설계된 Dinuclear복잡한 촉매저온 및 저압에서 온화한 조건에서 이산화탄소의 수소화를 통해 높은 선택성을 제공하기 위해 개발되었습니다바카라 규칙올합성 8410_8422 |
이번 핵 복합 촉매는 이시기에 개발 된이 핵 복합 촉매는 2 개의 이리듐을 함유하는 이리듐 촉매이며,이 촉매는 30 ℃에서도 이산화탄소의 수소화 반응을 진행하여 선택적 바카라 규칙올 합성을 가능하게한다 바카라 규칙올 합성에 대한 장애물을 피하기 위해, 우리는 AIST에서 수행 한 이산화탄소 수소화 촉매에 대한 지식에 기초하여 촉매 설계 및 반응 필드 선택을 생성 할 수 있었다소프트 촉매에 비해 매우 온화한 조건에서 바카라 규칙올로 전환 될 수 있음이 밝혀졌습니다 이들 결과로부터 얻은 발견은 이산화탄소의 수소화에 의해 바카라 규칙올 합성을 낮추기위한 촉매의 발달에 기여할 수있다
이 연구 결과는 미국 화학 학회에서 출판합니다미국 화학 학회지 저널2021 년 1 월 13 일 (일본 시간)에 잡지에 온라인으로 게시
이산화탄소 및 수소로부터의 핵 이리듐-촉매 화 된 바카라 규칙올 합성
2050 년까지 거의 온실 가스 배출에 대한 정부의 새로운 목표를 향해 이산화탄소를 유용한 화학 물질로 변환탄소 재활용 기술의 개발 긴급한 문제입니다 매년 전 세계적으로 약 1 억 톤의 화학 원료 및 대체 연료를 생산하는 바카라 규칙올은 이산화탄소에서 전환 될 수있는 핵심 재료로 촉매를 적극적으로 개발해 왔습니다 (2019 년 6 월, 경제 무역 및 산업부) 그러나, 종래의 구리 기반 고체 촉매는 200 ℃ 이상의 반응 온도를 필요로하며,이 반응 온도에서 반응 온도는 이산화탄소와 바카라 규칙올 사이에있다평형제약으로 인한 낮은 전환율 외에도 일산화탄소, 바카라 규칙 등이 부산물에 의해 생산 된 문제가있었습니다 따라서, 전환 및 선택성을 향상시키기 위해, 이산화탄소로부터 바카라 규칙올 생산에 대한 반응의 온도를 낮추는 것은 기술적 인 문제가되었다
또한 저온 반응 조건 하에서 바카라 규칙올의 합성을 목표로하는 고체 촉매는 개발되었지만, 상세한 활성 포인트 구조 및 반응 메커니즘을 명확히하기가 어려웠 기 때문에 논리적 촉매 설계 및 정밀 촉매 합성이 수행되지 않았다 한편, 정확한 촉매 설계에 기초하여 합성 될 수있는 복잡한 촉매를 사용하여 상대적으로 저온 조건 (150-80 ℃) 하에서 바카라 규칙올 합성이 또한보고되었지만, 생성물의 분리는 액체상에서 용해되는 균질 반응이기 때문에 생성물의 분리 및 실질적인 사용으로부터 방해되었다
AIST는 이산화탄소에 대한 수소화 촉매를 개발하기 위해 노력하고 있으며, 정상 온도 및 수소에서 물의 이산화탄소 및 수소로부터의 공경을 합성 할 수있는 이리듐 촉매를 개발했다 (AIST : 이산화탄소와 포름산을 전환하는 에너지 효율적인) 또한 스위스 로잔의 연방 기술 연구소와 협력 하여이 Iridium 촉매를 사용하여 물 하에서 고압 조건 하에서 이산화탄소로부터 바카라 규칙올을 합성했습니다 그러나, 바카라 규칙올 생산량의 양은 제한적 이었기 때문에, 우리는 촉매의 활성 부위 구조 및 반응 메커니즘에 의해 손상된 요인을 명확하게 설명하기 위해 노력하고있다
이번에는 저온에서 온화한 반응 조건 하에서 활성 지점 인 다수의 이리듐 금속을 갖는 이리듐 복합체 촉매를 사용하여 고도로 선택적인 바카라 규칙올 합성 기술을 개발하고있다
이 연구 개발은 경제 무역 산업부가 의뢰 한 프로젝트가 될 것이며 혁신적인 에너지 기술을위한 국제 공동 연구 개발 프로젝트 인 "CO2-Clean Hydrogen Carrier 시스템을 사용한 수소 생산 및 저장 기술 "(주요 연구원 : Himeda Yuichiro) 및 NEDO 주요 연구 프로그램/미확인 챌린지 2050, National Research and Development Agency, New Energy and Industric Development Agency, 전환 금속 촉매에 기반한 CO2전환 기술 개발"(주요 조사관 : Kanega Ryoichi)의 지원으로 수행되었습니다
바카라 규칙올은 하나의 이산화탄소와 3 개의 수소 분자와 물과의 단계적 반응에 의해 생성된다 기존 고체 촉매는 일반적으로 200 ℃ 이상의 반응 조건과 2 MPa 이상이 필요하다 그러나, 반응 시스템은 열역학적 이익이기 때문에, 적절한 촉매의 개발은 가벼운 조건 하에서 반응을 허용 할 것이라고 생각된다 (도 1) 이번에는 이산화탄소의 수소화 반응에 의해 바카라 규칙올 합성을 방해하는 인자를 밝히고, 전례없는 저온에서 높은 선택성을 갖는 바카라 규칙올의 합성을 실현 하였다
그림 1 이번에 개발 된 이핵 이리듐 촉매 사이의 반응 조건 비교와 기존 촉매
먼저, 활성 점 인 하나의 금속을 갖는 단핵 이리듐 복합체 촉매가 분자에서 반응하기 위해 물에 사용되었고, 약간의 포름산이 생성되었지만 바카라 규칙올을 검출 할 수없는 종래의 촉매 공정에서 이산화탄소와 제 1 수소 분자 사이의 반응에 의한 포름산의 생성은 평형에 의한 제한으로 인해 제한되었고, 후속 수소화 반응은 진행되지 않기 때문이다 따라서, 우리는 여러 활성 부위를 통해 이산화탄소를 지속적으로 수소화하는 것을 목표로 2 개의 이리듐 금속을 갖춘 새로운 Dinuclear iridium 촉매를 개발했다 결과적으로, 수성상에서 핵 복합 촉매가 사용될 때, 가벼운 조건 하에서도 바카라 규칙올 형성이 확인되었다 (도 2) 그러나, 용매 물 분자와 활성 점과의 조정 사이의 경쟁 반응으로 인해, 생산 된 바카라 규칙올의 양은 적었다
그림 2 (a) 2 개의 이리듐 금속 중심에 의한 이산화탄소의 연속 수소화에 의한 바카라 규칙올 형성,이 핵 이리듐 촉매의 활성 지점 인 (b) 촉매 및 반응 형태의 차이에 의해 생성 된 양의 비교 (60 ° C, 반응 시간 : 15 h)
따라서, 이핵 이리듐 촉매가 액체 상에 용해되는 균질 한 촉매 공정이 아니라 고체 상태에있는 동안 가스 상 (고체 상태와 이산화탄소의 혼합 가스)에서 반응을 시도했을 때, 바카라 규칙올의 양은 30 회 증가했다 반응 시간의 통과에 따라, 바카라 규칙올의 양은 선형으로 증가 하였다 (도 3A) 또한, 바카라 규칙 또는 일산화탄소는 검출되지 않았다 (도 3B) 탄소 동위 원소 13C를 함유하는 이산화탄소를 공급할 때, 상응하는 분자량 33을 갖는 바카라 규칙올을 얻었고, 바카라 규칙올을 공급 된 이산화탄소로부터 생산하는 것으로 확인되었다 또한, 이산화탄소는 30 ℃의 저온 조건에서도 촉매 반응을 통해 바카라 규칙올로 전환 될 수 있거나 05 MPa의 저압 조건
그림 3 (a) 시간에 따른 바카라 규칙올 생산의 변화 (반응 온도 : 60 ° C) (b) 가스 크로마토 그래피에 의한 생성물 분석 (위의 차트는 비교를위한 바카라 규칙올의 기준 샘플을 보여줍니다)
이번에 개발 된 Dinuclear iridium 촉매에서는 분자 내에서 활성 지점으로 작용하는 2 개의 이리듐 금속을 올바르게 배열하는 것이 중요하며, 촉매 활성은 이리듐이 너무 가깝거나 너무 멀리 떨어져 있는지 여부를 감소시키는 것이 중요합니다 또한, 단핵 이리듐 촉매가 바카라 규칙올의 형성을 검출하지 않았다는 사실은,이 핵 이리듐 촉매의 여러 활성 부위에 의해 이산화탄소에 대한 연속 수소화에 의해 바카라 규칙올이 효율적으로 생성되었음을 강하게 시사한다
또한, 생산 된 바카라 규칙올은 주로 가스 단계에 존재하므로 회복하기 쉽고 이산화탄소 및 수소로 리필을 통해 촉매를 재사용 할 수 있습니다 5 개의 재사용 테스트에서 촉매 성능의 유의 한 악화가 관찰되지 않았으며 총계촉매 회전 번호숫자가 100 배를 초과했습니다 이러한 촉매 시스템은 흐름 공정에 적용될 수 있으며 실제 응용 분야에 쉽게 통합 될 수 있습니다
이 결과는 이산화탄소에서 저온 및 압력으로 바카라 규칙올 합성을 줄이기위한 촉매 발달에 대한 기본 지식을 제공했습니다 탄소 재활용의 핵심 재료 인 바카라 규칙올 생산 공정에서 고효율 촉매의 개발에 기여할 것으로 예상된다
앞으로 촉매의 성능과 비용을 더욱 향상시키는 것을 목표로합니다 또한 바카라 규칙올 생산성을 더욱 향상시키기 위해 흐름 과정을 개발하고 매우 실용적인 촉매 공정을 개발할 것입니다