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스페인 UPV/EHU(University of the Basque Country), 카탈로니아 화학 연구소(Institute of Chemical Research of Catalonia), 미국 RTI International 사의 연구진은 강력하고 선택적인 균질 촉매로서 금속-유기 구조체(metal-organic frameworks)를 제안했다. 금속-유기 구조체는 유기 리간드를 통해서 연결된 금속 노드(node)로 구성된 다공성 물질이다. 에틸렌 이량체화(ethylene dimerization)에 의한 1-부텐(1-butene)의 생산은 많은 활성제와 용매가 요구되지만 높은 선택성 때문에 균질 촉매 작용을 사용하는 몇 안 되는 산업 공정 중의 하나이다. 이번 연구진은 응축 상태에서 금속-유기 구조체가 1-부텐을 생산하는데 에틸렌 이량체화를 촉진한다는 것을 입증했다. 이것은 활성제와 용매가 없을 때도 높은 선택성과 안정성을 가지면서 수행되었다. 이번 연구진은 두 개의 방법으로 금속-유기 구조체 속에 결함을 만들었다. 첫 번째는 금속-유기 구조체 합성 동안에 기존의 리간드 교환 방법을 사용했고 두 번째는 합성 전의 열처리를 통한 결함 유도 방법을 사용했다. 이런 결함들은 에틸렌 이량체화를 촉매적으로 활성화시켰다. 바르셀로나 슈퍼컴퓨팅 센터(Barcelona Supercomputing Center)의 자원을 활용해서, 결함을 특성화하고 반응 메커니즘을 계산할 수 있었고, 이로 인해서 실제로 적용 가능한 금속-유기 구조체를 시뮬레이션할 수 있었다. 금속-유기 구조체의 촉매 성능을 조사한 후에, 이 물질이 촉매 내 응축(ntrapore condensation) 환경에서 재활용될 수 있고 견고한지를 조사했다. 에틸렌 이량체화에 의한 1-부텐의 생산은 기체상에서 일어난다. 낮은 반응 압력에서 반응이 일어날 때, 일부 촉매 부위는 올리고머의 배위로 인해서 불활성화된다. 그러나 반응 압력이 증가함에 따라서 반응 분자들은 물질의 기공 내부에 응축될 수 있다. 이러한 집중 효과는 불활성화를 방지하여 촉매의 안정성을 향상시킨다. 다음 연구는 원자 주기율표의 첫 번째 열의 전이 금속을 기반으로 금속-유기 구조체 촉매를 만드는 것이 될 것이다. 또한 다른 기체상 반응을 위한 새로운 응축 방법을 개발해야 할 것이다. 이 연구결과는 다양한 기체상 반응을 위한 견고한 이종 촉매를 개발하는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Gas reactions under intrapore condensation regime within tailored metal–organic framework catalysts” 라는 제목으로 게재되었다. |