반응 통찰력은 지속 가능한 액체 연료를 만드는 데 도움이 됩니다.

반응 통찰력은 지속 가능한 액체 연료를 만드는 데 도움이 됩니다.
날짜:
2022년 6월 27일
원천:
폴 셰러 연구소
요약:
공기 중의 CO2로 만든 메탄올은 탄소 중립 연료로 전환될 수 있습니다. 새로운 기계론적 이해는 이 지속 가능한 대안의 개발을 돕습니다.

공기 중의 이산화탄소에서 생성되는 메탄올은 탄소 중립 연료를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 메탄올이 액체 탄화수소로 전환되는 메커니즘을 더 잘 이해해야 촉매 과정이 최적화될 수 있습니다. 이제 정교한 분석 기술을 사용하여 ETH Zürich와 Paul Scherrer Institute의 연구원들은 이 복잡한 메커니즘에 대한 전례 없는 통찰력을 얻었습니다.

에너지에 굶주린 생활 방식을 유지하고자 하는 열망과 함께 배출물의 영향을 잘 헤쳐나가기 위해 고군분투하고 있는 지금, 대기 중 이산화탄소를 사용하여 새로운 연료를 만드는 것은 흥미롭고 탄소 중립적인 대안입니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 수소화라고 하는 과정을 사용하여 공기 중의 이산화탄소로부터 메탄올을 생성하는 것입니다. 이 메탄올은 탄화수소로 전환될 수 있습니다. 이것들은 연소되어 이산화탄소를 방출하지만 이것은 연료를 만들기 위해 포획된 이산화탄소와 균형을 이룹니다.

이 지속 가능한 연료를 완전히 개발하려면 독특한 다공성 구조를 가진 고체 물질인 제올라이트에 의해 촉매되는 반응에서 메탄올이 긴 사슬 탄화수소로 전환되는 메커니즘에 대한 더 깊은 이해가 필요합니다. 이를 염두에 두고 스위스 국립 연구 역량 센터인 NCCR 촉매의 틀에서 ETH Zürich의 연구원들은 Paul Scherrer Institut PSI의 연구원들과 협력하여 이 반응 메커니즘의 세부 사항을 공개했으며 그 결과가 발표되었습니다. Nature Catalysis 저널에서 .

"정보는 보다 선택적이고 안정적인 촉매를 개발하는 열쇠입니다."라고 ETH Zürich의 촉매 공학 교수이자 연구를 공동 주도한 NCCR 촉매 책임자인 Javier Pérez-Ramírez가 설명합니다. "우리 연구 이전에 많은 노력에도 불구하고 메탄올에서 탄화수소로의 복잡한 변환의 핵심 기계론적 측면은 잘 이해되지 않았습니다."

연구자들은 메탄올 대 탄화수소 공정을 다른 공정과 비교하는 데 관심이 있었습니다. 즉 염화메틸을 탄화수소로 바꾸는 공정입니다. 정유 공장에서는 원치 않는 메탄이 풍부한 천연 가스를 대량으로 연소하는 경우가 많습니다. 이러한 오염과 낭비적인 활동으로 인해 정유 공장과 관련된 전형적인 플레어가 발생합니다. Pérez-Ramírez는 "메틸 클로라이드를 탄화수소로 바꾸는 것은 일종의 가교 기술입니다."라고 설명합니다. "물론 우리는 화석 연료에서 벗어나고 싶지만 그 동안 귀중한 메탄의 막대한 매장량을 낭비하지 않는 방법이 될 것입니다."

일시적인 기체상 분자가 이야기를 들려줍니다.

이와 같은 복잡한 반응 메커니즘을 이해하는 열쇠는 중간 생성물을 포함하여 관련된 다양한 종을 감지하는 것입니다. 전통적인 기술은 반응을 이해하기 위해 촉매의 표면을 직접 관찰하지만, 이야기의 중요한 부분은 촉매에서 나오는 기체상 분자에 의해 설명됩니다.

진공 자외선(VUV)의 과학자인 패트릭 헴버거(Patrick Hemberger)는 "이러한 분자는 반응성이 매우 높고 수명이 매우 짧고 몇 밀리초 이내에 분해됩니다. 이는 기존의 기상 분석 방법이 너무 느리기 때문에 이를 식별하는 것이 정말 어려운 문제입니다."라고 설명합니다. ) 스위스 광원 SLS의 빔라인으로, 정교한 분석 기술을 통해 연구원이 반응을 연구할 수 있습니다.

VUV 빔라인에서 광이온 광전자 일치(PEPICO) 분광법은 최근 촉매 반응의 강력한 분석 도구로 확립되었습니다. 광전자 분광법과 질량 분광법이라는 두 가지 분석 기술을 결합하여 기체상 반응 중간체에 대한 자세한 정보를 제공하고 이성질체를 구분할 수도 있습니다.

"우리는 두 가지 다른 유형의 정보를 동시에 수집하기 때문에 최대 100개의 반응 중간체 및 생성물을 포함하는 혼합물에서도 이러한 일시적인 종을 신속하게 식별할 수 있습니다. 이는 기존 방법으로는 불가능했던 전례 없는 통찰력을 제공합니다." 말한다.

밝혀진 반응 경로

분광학을 통해 연구자들은 수많은 중간 생성물을 감지하여 탄소-탄소 결합이 어떻게 형성되고 탄화수소 사슬이 성장하는지 밝힐 수 있었습니다. 메탄올에서 탄화수소로, 염화메틸에서 탄화수소로의 두 공정에서 연구자들은 서로 다른 반응 중간체가 발생하는 것을 관찰했습니다. 이로부터 그들은 두 가지 반응에 존재하는 메틸 라디칼에 의해 유도되는 두 가지 반응 경로와 메탄올에서 탄화수소 반응으로만 발생하는 케텐이라고 불리는 산소화된 종에 의해 유도되는 두 가지 반응 경로를 확인할 수 있었습니다.

연구원들은 또한 반응의 흥미로운 특징을 이해할 수 있었습니다. 며칠 후 촉매가 비활성화되고 반응이 중단되었습니다. 이것은 원치 않는 부산물인 코크스가 축적되기 때문입니다. 코크스는 반응 중에 침전된 큰 방향족 탄화수소로 만들어졌습니다.

또 다른 분광 기술인 전자 상자성 공명 분광법의 도움으로 연구자들은 탄화수소 생산에 대한 염화 메틸이 메탄올에서 생산하는 것보다 코크스 형성에 훨씬 더 취약하다는 것을 발견했습니다. 반응 경로에 대한 지식으로 무장한 이 차이의 이유는 명확했습니다. "메탄올에서 탄화수소로의 경로는 두 가지 반응 경로를 따라 진행되는 반면 염화 메틸에서 탄화수소로의 경로는 반응성이 더 높은 메틸 라디칼 경로만 선택할 수 있습니다. ETH Zürich의 팀이 전자 상자성 공명 분광학 연구를 수행한 Gunnar Jeschke는 설명합니다.

프로세스 최적화 메커니즘 이해

이 연구에서 얻은 통찰력은 지속 가능한 방식으로 액체 연료의 미래 개발에 필수적입니다. 여기에는 산소 구동 경로를 향상시켜 코크스 형성을 억제하는 방법을 찾는 것이 포함될 수 있습니다.

"우리는 이제 메탄올에서 탄화수소로 또는 염화 메틸에서 탄화수소로의 반응 메커니즘에 대해 더 깊이 이해하고 있으며 이러한 지식을 통해 산업 공정을 보다 효율적으로 만들기 위해 목표 방식으로 산업 공정을 최적화할 수 있습니다"라고 Hemberger가 덧붙입니다.