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미 에너지부(DOE) 산하의 Ames 연구소 과학자들은 바이오연료 및 화석연료 생산, 전기투석, 연료전지를 포함한 많은 산업 분야에 적용할 수 있는 싸고 효율적인 무금속 탄소 기반 촉매를 발견했다. 산업에서 활용하고 있는 화학프로세스는 기본적으로는 수소-수소, 탄소-산소, 탄소-수소 결합과 같은 강력한 화학적 결합을 분할하는 것이다. 이 프로세스는 전통적으로 전환이나 귀금속을 이용한 촉매가 사용되어 왔으며 비싸고 자연적으로 풍부하지 않은 백금이나 팔라듐과 같은 물질이 촉매로 사용되어 왔다. 과학자들은 이질적 촉매인 질소 조립체 탄소(NACs, Nitrogen-Assembly Carbons)를 이용해 탄소 표면에 질소를 배치하는 것이 물질의 촉매 활성도에 큰 영향을 미치는지를 확인하는 실험을 수행했다. 탄소 표면에 있는 이러한 질소 원자는 서로 멀리 떨어져 있을 것으로 여겨져 왔는데 이는 질소 원자가 인접하면 열역학적으로 불안정하기 때문이다. 연구팀은 NACs 합성을 위한 질소 전구체와 열분해 온도를 질소 분포와 상관시켰고 준안정 상태의 질소 조립체가 설계에 의해 만들어질 수 있고 예상치 못한 촉매 반응을 발생시킨다는 것을 발견했다. 이러한 반응에는 아릴 에테르(aryl ethers) 수소 분해, 에틸벤젠과 테트라하이드로퀴놀린의 탈수소화, 일반적인 불포화 기능성의 수소화(케톤, 알켄, 알킨, 니트로 그룹 등) 등이 포함된다. 또한 NACs 촉매는 고온, 고압 하에서 액상 및 가스상 반응 모두에 대해 일관된 선택성과 활성도를 갖는다. Ames 연구소의 Long Qi 연구원은 질소가 이러한 NACs의 표면에 어떻게 분배되는지가 매우 중요하다는 점을 확인했고, 그 과정에서 이것이 완전히 새로운 종류의 화학 활동이라는 것을 발견했다고 밝혔다. 또한 Wenyu Huang 연구원은 이번 발견으로 과학자들은 전환금속(transition metal) 없이도 보다 정교하고 잠재력 많은 화학변환을 수행할 수 있는 질소 조립체를 설계할 수 있게 될 것이라면서 이 질소 조립체가 많은 다른 종류의 화학 변환과 산업에 광범위하게 적용될 것으로 전망했다. |
