광합성에서 영감을 받은 프로세스로 일반 화학 물질을 만듭니다.

광합성에서 영감을 받은 프로세스로 일반 화학 물질을 만듭니다.
새로운 전략은 현재 산업 공정보다 저렴하고 에너지 집약적입니다.
날짜:
2022년 6월 9일
원천:
노스웨스턴 대학교
요약:
한 팀은 빛과 물을 사용하여 아세틸렌을 플라스틱의 핵심 성분인 널리 사용되는 고가의 화학 물질인 에틸렌으로 전환했습니다. 이러한 전환은 일반적으로 반응을 유도하기 위해 고온 및 고압, 가연성 수소 및 값비싼 금속을 필요로 하지만 광합성과 유사한 프로세스는 훨씬 저렴하고 에너지 집약적입니다. 새로운 공정은 환경 친화적일 뿐만 아니라 매우 잘 작동하여 거의 100%의 아세틸렌을 99%의 선택성으로 에틸렌으로 성공적으로 전환합니다.

노스웨스턴 대학의 화학자들은 중요한 산업용 화학 물질이 만들어지는 방식에 혁명을 일으키기 위해 식물에서 영감을 얻었습니다.

현장에서 처음으로 Northwestern 팀은 빛과 물을 사용하여 아세틸렌을 플라스틱의 핵심 성분인 널리 사용되는 고가의 화학 물질인 에틸렌으로 전환했습니다.

이 전환은 일반적으로 반응을 유도하기 위해 고온과 고압, 가연성 수소 및 값비싼 금속을 필요로 하지만 Northwestern의 광합성과 유사한 프로세스는 훨씬 저렴하고 에너지 집약적입니다. 새로운 공정은 환경 친화적일 뿐만 아니라 아세틸렌의 거의 100%를 에틸렌으로 성공적으로 전환하는 놀라운 성능을 발휘합니다.

연구의 공동 제1저자인 노스웨스턴의 프란체스카 아르쿠디(Francesca Arcudi)는 "산업에서 이 방법은 고온, 가연성 수소 가스 및 귀금속 함유 물질의 외부 공급을 필요로 하는 에너지 집약적 공정을 필요로 한다"고 말했다. . "우리의 새로운 전략은 이 모든 문제를 한 번에 해결합니다. 고온과 수소 대신 빛과 물을 사용하여 작동합니다. 그리고 값비싼 금속 대신에 자연적으로 풍부하고 저렴한 재료를 사용합니다."

결과 전략은 충격적으로 잘 작동했습니다. 현재의 산업 공정은 에틸렌에 대해 90% 선택성을 제공하는 반면, Northwestern 접근 방식은 에틸렌에 대해 99% 선택성을 제공합니다.

연구의 공동 제1저자인 노스웨스턴의 Luka Ðorđević는 "이것은 경제적 가치가 높은 상품 화학 물질이기 때문에 중요합니다."라고 말했습니다. "낭비 없이 생산할 수 있는 양이 많을수록 좋습니다."

이번 연구는 네이처 케미스트리 저널(Journal Nature Chemistry )에 6월 9일 목요일 게재될 예정 이다. 아세틸렌을 에틸렌으로 전환하기 위해 빛을 사용하는 연구원의 첫 번째 보고서입니다.

이 논문은 Emily Weiss와 Samuel I. Stupp이 노스웨스턴에 있는 CBES(Centre for Bio-Inspired Energy Science)의 일환으로 공동 노력한 결과입니다. Northwestern의 Weinberg College of Arts and Sciences의 화학 교수인 Weiss는 이 논문의 교신저자입니다. Arcudi는 Weiss 연구소의 박사후 연구원입니다. Ðorđević는 Stupp 연구소의 박사후 연구원입니다. Stupp은 Weinberg College, McCormick School of Engineering 및 Northwestern University Feinberg School of Medicine에서 임명된 노스웨스턴 소재 과학 및 공학, 화학, 의학 및 생물 의학 공학의 이사회 교수입니다.

CBES의 이사인 Stupp은 "CBES에서 우리는 자연에서 영감을 받아 근본적인 문제를 해결하기 위해 노력합니다. "자연적으로 발생하는 몇 가지 유기금속 보조인자 중 하나인 비타민 B12는 이 논문에서 우리 촉매를 설계하기 위한 영감의 원천으로 사용되었습니다."

전 세계 플라스틱의 50-60%의 전구체인 에틸렌은 뜨거운 상품입니다. 가치 있는 화학 물질에 대한 계속 증가하는 수요를 충족하기 위해 업계에서는 연간 2억 톤 이상의 에틸렌을 생산합니다.

에틸렌을 생성하기 위해 화학자들은 뜨거운 증기를 사용하여 에탄을 더 작은 분자로 분해한 다음 에틸렌으로 증류하는 산업적 방법인 증기 분해를 사용합니다. 그러나 생성된 화학 물질에는 에틸렌이 플라스틱으로 적절하게 전환되는 것을 방지하기 위해 촉매를 비활성화하는 오염 물질인 소량의 아세틸렌이 포함되어 있습니다. 에틸렌을 플라스틱으로 만들기 전에 아세틸렌을 제거하거나 에틸렌으로 전환해야 합니다.

Weiss는 "순수한 에틸렌을 얻기 위한 아세틸렌의 제거 또는 전환은 업계에서 잘 알려진 공정"이라고 말했습니다. "이 공정에는 많은 문제가 있기 때문에 과학계에서 이 공정에 대한 대안을 제안하려고 노력해 왔습니다. 이산화탄소 공급원료에서 폴리머 등급 에틸렌을 생산하는 것이 바람직한 대안이지만 이 경로는 아직 충분히 개발되지 않았습니다. 우리의 전략은 가능한 가장 낮은 에너지 발자국으로 이 중요한 화학 물질을 생산하기 위한 첫 번째이자 중요한 단계입니다."

특히 성공적인 화학 반응에 필요한 높은 온도와 압력에 도달하려면 엄청난 에너지가 필요합니다. 또한 팔라듐과 같은 귀금속으로 만든 값비싼 촉매가 필요합니다. 그리고 이 과정은 화석 연료에서 생성되는 수소의 양성자에 의존하기 때문에 엄청난 양의 이산화탄소를 생성합니다.

Northwestern의 전략은 이러한 모든 문제를 우회합니다. 아세틸렌을 에틸렌으로 전환하기 위해 노스웨스턴의 화학자들은 팔라듐 촉매를 보다 저렴하고 풍부한 대안인 코발트로 대체했습니다. 그들은 또한 실온과 주변 압력을 사용했습니다. 열 대신 가시광선을 사용했습니다. 그리고 마침내 그들은 수소를 양성자의 공급원으로 일반 물로 대체했습니다.