향수, 플라스틱, 의약품 등 다양한 제품에 사용되는 필수 화학물질인 아세트알데히드는 전통적으로 석유화학물질인 에틸렌을 사용하여 생산됩니다. 그러나 화석 연료 사용을 둘러싼 환경 문제가 증가함에 따라 화학 산업은 보다 친환경적인 대안을 찾아야 한다는 압력이 커지고 있습니다. 현재 아세트알데히드는 석유와 천연가스에서 추출한 에틸렌과 염산과 같은 강산을 결합하는 방법인 Wacker 공정을 통해 생산됩니다. 이 프로세스는 효과적이지만 탄소 발자국이 크고 자원 집약적이며 장기적으로 지속 가능하지 않습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 이산화탄소(CO2)를 가치 있는 화학 물질로 전기화학적으로 환원시키는 방법을 연구해 왔습니다. 이 접근 방식은 CO2 배출량을 줄일 뿐만 아니라 두 가지 중요한 환경 문제를 동시에 해결하는 유용한 제품을 만듭니다. 유망한 솔루션 중 구리 기반 촉매는 CO2를 아세트알데히드로 전환할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 그러나 과거의 시도는 필요한 선택성을 달성하는 데 어려움을 겪었으며 종종 원하는 아세트알데히드 대신 부산물 혼합물을 생성했습니다.
EPFL의 세드릭 데이비드 쿨렌(Cedric David Koolen), 코펜하겐 대학의 잭 K. 페데르센(Jack K. Pedersen), 상하이 대학의 웬 뤄(Wen Luo)가 이끄는 공공-민간 컨소시엄의 연구팀은 CO2를 아세트알데히드로 효율적이고 선택적으로 전환할 수 있는 새로운 구리 기반 촉매를 개발했습니다. Nature Synthesis에 발표된 이 혁신은 아세트알데히드에 대한 92%의 인상적인 선택성을 보여주어 보다 지속 가능하고 친환경적인 생산 방법을 제공합니다. 새로운 촉매는 효과적일 뿐만 아니라 확장 가능하고 비용 효율적이므로 산업 응용 분야에 적합하고 잠재적으로 기존 Wacker 프로세스를 대체할 수 있습니다.
“Wacker 공정은 60년 이상 크게 변하지 않았기 때문에 친환경 돌파구를 마련할 때가 무르익었습니다”라고 Koolen은 말합니다. 이를 달성하기 위해 연구팀은 스파크 절제를 사용하여 각각 약 1.6나노미터 크기의 작은 구리 입자 클러스터를 만들었습니다. 이 입자는 안정적이고 재사용 가능한 촉매를 만들기 위해 탄소 지지체에 고정되었습니다. 그런 다음 연구팀은 싱크로트론 광원과 X선 흡수 분광법을 사용하여 구리 클러스터가 CO2를 아세트알데히드로 효과적으로 변환하고 있음을 확인했습니다.
실험실 테스트에서 구리 클러스터는 저전압에서 아세트알데히드에 대한 92%의 선택성을 보여주었으며, 이는 에너지 효율성의 핵심 요소입니다. 또한 이 촉매는 30시간의 스트레스 테스트에서 매우 안정적인 것으로 입증되어 여러 사이클에서 성능을 유지했습니다. 연구원들은 특히 구리가 공정 전반에 걸쳐 금속을 유지하는 능력에 놀랐으며, 이는 구리의 수명과 재활용성에 기여했습니다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구리 클러스터에 있는 원자의 고유한 구성이 CO2를 아세트알데히드로 변환하는 것을 촉진하여 에탄올이나 메탄과 같은 다른 부산물에 비해 선택성을 촉진한다는 사실이 밝혀졌습니다. “우리 공정의 장점은 다양한 촉매 시스템에 적용할 수 있어 CO2 감소 또는 물 전기 분해를 위해 새로운 재료를 신속하게 선별하고 테스트할 수 있다는 것입니다”라고 Pedersen은 말합니다.
이 새로운 구리 기반 촉매는 보다 친환경적인 산업 화학을 향한 상당한 발전을 나타냅니다. 규모를 확대하면 Wacker 공정을 대체하여 석유 화학 물질에 대한 의존도를 줄이고 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다. 아세트알데히드가 많은 화학 물질의 구성 요소라는 점을 감안할 때, 이 돌파구는 제약에서 농업에 이르기까지 다양한 산업을 변화시켜 필수 화학 물질 제조를 위한 지속 가능한 대안을 제공할 수 있습니다.
