유종석1팀
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : FDCA 생산을 위한 전극촉매소재 개발 연구
영문 : Development of electrocatalysts for production of FDCA
과제 팀명
유종석1팀
지도교수
유종석 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2019340049 최**(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2016340047 최**(팀원)
서울시립대학교 화학공학과 2016890064 조**(팀원)
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 이 연구는 고순도 그린 플라스틱 단량체의 전기화학적 대량생산 및 경제성 향상을 위한 고활성 전극 촉매 소재 개발을 통해 현재 석유화학 기반 플라스틱 생산을 그린 플라스틱으로 전환하기 위함
◇ 밀도범함수이론 계산 기반 HMF to FDCA 반응 메커니즘 규명과 다양한 구조 및 조성의 Ni, NiP, NiCoP 촉매에 대한 반응에너지 계산 기반 Ni, NiP, NiCoP 촉매의 활성상 및 활성점 규명
◇ Free energy 분석을 통한 Ni 촉매와 NiP 촉매 대비 NiCoP 촉매의 낮은 과전압에 대한 근본적 이해 확립 및 한계점 규명
◇ 궁극적으로 새로운 촉매 개발을 위한 이론을 기반하여 구체적인 성능 향상 전략 제시
개발 과제의 배경
◇ 대기오염과 지구온난화에 대한 관심이 날이 갈수록 증가하면서, 기존 플라스틱 물질에 대한 여러 가지 문제점이 대두되고 있다. 플라스틱은 자연적으로 분해되지 않으며 동식물의 체내에 들어가게 되면 유해물질을 만들어 내어 결과적으로 사람의 건강에 악영향을 끼치게 된다. 또한, 플라스틱의 폐기 과정에서 많은 양의 플라스틱이 제대로 재활용 및 재순환의 과정을 거치지 않으며, 이러한 과정의 어려움으로 인해 자연에 유해한 오염물질이 생성된다. 이는 공기의 오염으로 온실가스에 영향을 주기도 하며, 땅이나 강물에 내려앉아 농산물과 지하수를 오염시키기도 하며 결과적으로 사람에게 그 피해가 돌아오게된다. 그 결과 현재 다양한 국가에서 플라스틱 문제에 대해 해결하기 위해 노력하고 있으며 그림 1과 같이 제품에 따라서 해당 제품의 사용을 금지 또는 해당 제품의 플라스틱 사용을 막기 위해 노력하고 있다.
◇ 한편, 연구계에서는 기존 플라스틱을 대체하기 위한 재사용 가능한 친환경적인 소재 개발하기 위한 연구가 중요해지고 있다. 그 중 화석연료 기분 화학소재인 Polyethylene terephthalate(PET)를 바이오매스로부터 만들어지는 Polyethylene furandicarboxylate(PEF)로 대체하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. PET는 석유 기반 화학물질로써 자연에서 분해가 잘되지 않고 소각할 때 다량의 이산화탄소와 환경호르몬을 배출하여 환경 오염의 주된 원인 중 하나이다. 반면에 PEF는 100% 바이오매스로 만들어지며 친환경적인 생산이 가능하므로 이산화탄소 배출량이 적고 PET에 비해 자연에서 분해가 잘 되어서 환경오염을 최소화할 수 있다. 또한, PET와 비교하여 투명성이 높고, 가스 및 수분 차단이 뛰어나서 PET를 적절하게 대체할 수 있다. 이러한 PEF는 Furandicarboxylic acid(FDCA) 단량체로 만들어지는데 FDCA는 바이오매스 기반의 5-hydroxymethylfurfural(HMF)로부터 합성된다. 즉, PEF는 생물 유래 성분으로 만들어져 이산화탄소 배출량이 적으며 PET를 대체하여 PET를 사용하면서 발생하는 추가적인 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있을 것이다.
◇ FDCA를 생산하기 위하여 기존에는 열화학적인 반응을 이용하여 FDCA를 많이 생산하였다. 열화학적으로 반응을 진행하기 위해서는 주로 비싼 귀금속의 촉매를 사용하며, 40bar와 100℃를 유지해야 한다. 에너지적인 측면에서 보았을 때 앞으로 환경 친화적인 에너지를 개발하기 위한 관심이 매우 증가하고 있는 상황이며 대표적인 것이 신재생에너지이다. 이러한 에너지를 사용하여 반응을 진행하는 것이 장기적으로 긍정적이며 전기화학적 반응은 일반적인 환경에서 진행할 수 있다는 장점이 있다. 그러므로 전기화학을 통한 생산 기술 확보는 궁극적으로 기존의 열화학적 반응을 통한 생산체계에 새로운 패러다임을 가져올 것으로 기대할 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 계산화학을 활용하여 Ni 촉매와 NiP 촉매 대비 NiCoP 촉매의 우수한 성능을 이론적으로 규명하고, NiCoP 촉매의 한계점을 파악하여 새로운 촉매 개발을 위한 구체적인 성능 향상 전략을 제시한다.
◇ 선행 연구에 따르면 Ni 촉매의 경우 낮은 수율을 보이지만, 그에 P가 첨가된 NiP나 Co가 첨가된 NiCoP의 촉매의 경우 Ni 촉매보다 훨씬 높은 FDCA 수율을 확보할 수 있었다. 그 중에서도 NiCoP의 성능이 타 촉매들에 비해 월등히 좋은 성능을 보여주었다.
◇ 이러한 연구에 기반하여, 계산화학을 이용해서 위 촉매들의 HMF to FDCA 반응의 메커니즘을 규명하여 NiCoP 촉매의 좋은 성능을 근본적으로 해석할 것이다. 동시에 NiCoP 촉매를 성능을 넘는 새로운 촉매 설계 전략을 수립할 것이다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
전 세계적인 기술현황
◇ 플라스틱은 자연적으로 분해되지 않으며 동식물의 체내에 들어가게 되면 유해물질을 만들어 내어 결과적으로 사람의 건강에 악영향을 끼치게 된다. 그러므로 기존 플라스틱을 대체하기 위한 재사용 가능한 친환경적인 소재 개발하기 위한 연구가 중요해지고 있다. 그 중 화석연료 기분 화학소재인 Polyethylene terephthalate(PET)를 바이오매스로부터 만들어지는 Polyethylene furandicarboxylate(PEF)로 대체하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 PEF는 urandicarboxylic acid(FDCA) 단량체로 만들어지는데 DCA는 바이오매스기반의 5-hydroxymethylfurfural (HMF)로부터 합성된다.
◇ 기존 열화학적 반응을 통한 FDCA 생산에는 귀금속 촉매를 사용한 고온(약 373K) 고압(40 bar)의 조건에서 높은 수율을 보여주고 있다. 그러나 귀금속 촉매의 비싼 단가와 공정 조건의 친환경적이지 않은 것이 문제점으로 대두되었다. 그러므로 귀금속 보다 경제적인 전이금속을 활용할 수 있고, 상온과 대기압 수준에서도 반응을 진행시킬 수 있고, 재생가능한 에너지를 활용하는 전기화학적 산화반응을 통한 FDCA 생산에 관심이 집중되고 있다.
◇ 전기화학적 산화반응을 통한 FDCA 생산에 사용되는 촉매 중 NiCoP의 성능이 우수하다는 사실이 잘 알려져 있다. 이에 Dong Ki Lee et al.은 NiCoP 촉매를 산업적으로 사용하기 위한 연구를 했다. 실제로 연구실 수준에서 NiCoP 촉매가 FDCA 생성에 우수하다는 사실은 알 수 있었으나(그림4), NiCoP 촉매를 이용한 대량생산 과정에서 FDCA의 생산량이 기대에 미치지 못했다.
특허조사
◇ 전선을 이용하여 제조된 전기화학적 전극 및 수전해 시스템
- - 국내 특허
- - 출원 번호：10-2018-0093459
- - 출원 일자 : 2018.08.10
- - 출원인 : 한양대학교 산학협력단
- - 요약 : 본 개시 내용은 수소 발생 및 산소 발생 반응에 대하여 양호한 활성을 나타내는 전기화학적 전극의 제조에 적용하는 방안을 제공함. 구체적인 방법으로는 순수 구리선을 가공하여 수전해용 전극의 기재로 적용하였으며, 다양한 촉매를 활용하여 성능을 시험함. 본 발명의 실시예의 전기화학적 전극에 대해 산소 발생 반응(OER), 수소 발생 반응(HER), 안전성 및 기계적 물성 평가를 통해 실험한 결과, 유의미한 수준으로 낮은 과전압과 양호한 수전해 성능을 가짐을 확인. 특히 실시예 1에 따른 전기화학적 전극이 기존 결과에 비해 우수한 성능은 Ni-Co-P의 효율적인 OER/HER 반응으로부터 기인하는 것을 볼 수 있음.
◇ 니켈·코발트·인 전기 도금(electrodeposit)이 조성물 및 그 용도
- - 일본 특허
- - 출원 번호：19132802
- - 출원 일자 : 2007.05.18
- - 출원인 : HO CHING
- - 본 발명은 전기 도금(electrodeposit)에 관한 것으로, 구체적으로는 니켈·코발트·인 전기 도금 조성물과 그 표면 처리(treating the surface) 방법에 관함. 니켈 전기 도금은 내마모성(abrasion resistance property)과 내식성이 좋으나, 순 니켈 전착물이 경도를 낮기 때문에, 다른 금속과 함께 사용 해 그 경도를 개선함. 따라서, 비용이 낮고 내부 응력(internal stress)이 낮고, 경도가 높으며 내식성이 양호한 니켈·코발트·인 전착물 형성으로 적당한 니켈·코발트·인 전기 도금 조성물을 제공할 필요가 있음. 이에 본 발명은 실시예에 따라 니켈염(nickel salt), 코발트염(cobaltsalt), 아인산 함유 화합물 및 다좌 킬레이트제(Multidentate Chelating Agent)를 가진 니켈·코발트·인 전기 도금 조성물을 제공함.
◇ Method to produce furandicarboxylic acid (FDCA) from 5-hydroxymethylfurfural (HMF)
- - 미국 특허
- - 출원 번호 : 1020107015409
- - 출원 일자 : 2008.12.12
- - 출원인 : Wisconsin Alumni Research Foundation, Madison, WI(US)
- - 요약 : 2,5-furandicarboxylic acid(FDCA)
- - 본 내용은 HMF를 유기 용매로부터 분리하거나 분리하지 않고 HMF를 FDCA로 변환하는 과정이 개시되어 있음. 생물종의 탈수로부터 얻어진 HMF는 FDCA에 담지된 금속 촉매 위에 분자 산소 등의 산화제와 함께 그 자리에서 산화됨. FDCA는 반응 혼합물에 톨루엔과 같은 비교적 저렴한 방향족 용매를 첨가함으로써 반응 혼합물로부터 쉽게 추출될수 있음. FDCA 생성물은 FDCA의 높은 끓는점(420°C)으로 인해 잔류 용매로부터 쉽게 유리화 또는 농축되며, 또한 쉽게 결정화되고 그 경로에 의해 정제될 수 있음. 본 개시 내용에 따르면, 이러한 과정들에 의해 HMF를 유기 용매로부터 분리하거나 분리하지 않고 바람직한 HMF ~ FDCA의 경로에서 HMF를 얻을 수 있음.
◇ 2,5-퓨란디카르복시산 제조용 촉매 및 이 촉매를 이용한 2,5-퓨란디카르복시산의 제조방법
- - 국내 특허
- - 출원 번호 : 10-2016-0026921
- - 출원 일자 : 2016년03월07일
- - 출원인 : 한국생산기술연구원
- - 요약 : 고순도, 고수율의 FDCA를 제조하는 방법으로는 HMF를 브롬 및 금속 촉매 존재 하에서 유기산(용매) 내의 산화제에 접촉시켜 서로 반응시키는 것이 있으며, 이러한 방법들에서 FDCA의 수율은 약 62% 정도를 나타냄. 그러나 그러나 상기 방법들은 공정이 복잡하거나 높은 온도와 압력을 사용해야 하며, 최종 생성물의 순도와 생산성이 낮은 점 및 FDCA의 제조 시, 산화가 모두 진행되지 않아서 FDCA 이외의 부산물등 이 생성되는 문제점을 가지고 있음. 본 발명의 스피넬 구조의 지지체 내에 귀금속 나노 입자가 포함된 촉매를 이용하면 복잡한 공정을 거치지 않고 별도의 염기성 물질의 첨가 없이 베이스 프리(base-free) 환경에서 고수율로, 종래보다 저온, 저압의 공기압 조건으로 FDCA를 고선택도로 수득할 수 있으면서, 부산물의 발생도 최소화할 수 있음
특허전략
◇ 특허에 대해서 알아볼 부분은 크게 물질(촉매)과 공정(FDCA메커니즘)이 있다. 금속 촉매(NiCoP)에 대해서는 주로 전기화학 촉매로써의 응용 및 반도체 분야에서의 사용이 주를 이룬다. 그리고 공정의 경우 FDCA를 생산하는 유도 반응, 혹은 더 나아가 이를 기반으로 한 PEF 중합체를 제조하는 공정에 대한 특허가 주를 이룬다.
◇ 금속 촉매 중 우수한 성능을 보인 NiCoP 촉매에 대해 분석하여, 왜 좋은 성능을 보일 수 있는지 혹은 어떻게 하면 더 좋은 성능을 보일 수 있을지 파악하고자 한다.
◇ 또한 이 연구를 통해 얻은 결과를 FDCA 메커니즘에 적용해봄으로써, 어떤 기대효과를 기대할 수 있을지 예상해볼 것이다. 더 나아가 이 반응에 최적화된 촉매를 설계해볼 수 있을 것이다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ NiCoP 촉매의 좋은 성능에 대한 근본적인 원인을 규명하면 새로운 촉매 설계를 위한 노하우가 될 수 있으므로 더 성능이 좋은 전기 촉매를 개발해낼 수 있다. 또한 비슷한 상황의 다른 전기화학적 반응을 위한 촉매 설계에서도 도움이 될 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 기존의 열화학적 반응을 진행하려면 값비싼 귀금속 촉매와 40bar와 100℃의 어려운 반응 조건에서 FDCA를 생산한다면 적지 않은 FDCA의 생산 비용로 인해 TPA를 대체할 이유가 적어질 것이다. 그러나 NiCoP 촉매를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 FDCA를 생산한다면 NiCoP의 적은 과전압과 일반적인 환경에서도 진행 가능한 전기화학적 반응이므로 적은 비용으로 FDCA를 생산할 수 있으므로 TPA보다 더욱 경제적일 것이다.
◇ TPA를 FDCA로 충분히 대체하여 PET대신 PEF를 사용한다면 플라스틱으로 인한 환경 오염을 줄일 수 있고, 석유화학의 의존도를 낮출 수 있을 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 최진우: NiOOH 표면에 대한 선행 연구를 바탕으로 NiOOH 표면 선정, heterojunction에 대한 선행 연구를 바탕으로 Ni2P-NiOOH heterojunction 모델 제작
◇ 최명진: Ni2P-NiOOH heterojunction 모델에서 NiP 표면을 제작하고, NiP 촉매 표면에 Co를 도핑하여 NiCoP 표면을 제작
◇ 최진우, 최명진, 조성원: NiOOH, NiP, NiCoP 표면에서 HMF 산화 반응에서 모든 중간체의 흡착 에너지를 계산한다.
◇ 최진우, 최명진, 조성원: 각 표면에서 구한 흡착 에너지를 바탕으로 HMF 산화 반응 메커니즘 free energy diagram을 제작하고 분석
설계
상세설계 내용
◇ 순수한 Ni은 전기화학적 반응 조건에서 Ni metal로 존재하지 않는다. 전기화학적인 조건에 따라 금속은 산화되거나 환원되어 활성상이 달라지기 때문이다. 따라서 먼저 우리의 관심 반응인 HMF 산화 반응에서의 전기화학적 반응 조건에서 Ni은 어떻게 존재하는지 알아내야 한다.
◇ HMF 산화 반응의 조건은 대략 pH = 13, U = 1.5 V에서 진행된다. 그림 5는 Ni bulk Pourbaix diagram을 계산화학적으로 구한 그림이다. 그림5에서 검은색 사각형 영역이 HMF 산화 반응 조건이다. 이 조건에서 Ni은 NiOOH로 산화되어 존재한다는 것을 알 수 있다. 따라서 Ni 촉매에서 HMF 산화 반응을 진행하면 Ni은 산화되어 NiOOH로 바뀌므로 Ni 촉매의 활성상은 NiOOH일 것이다.
◇ 그림 6은 선행연구의 NiOOH suface energy table이다. 위의 결과에 따르면 NiOOH의 표면은 OH로 terminated된 (001) 표면이 가장 안정하다는 것을 알 수 있다. 가장 안정한 표면이 촉매 표면 가장 많이 존재한다는 의미이므로 이 표면을 Ni 촉매의 활성 표면으로 선정하였다.
◇ 그림에는 없지만 실험에서 합성한 NiP의 XPS spectra는 상업적으로 판매되는 Ni2P의 XPS와 똑같으므로 NiP 촉매의 표면은 Ni2P 기반이라고 할 수 있다. 그림 7을 보면 실험에서 합성한 NiCoP의 XPS spectra는 상업적으로 판매되는 Ni2P의 XPS spectra와 매우 비슷하므로 NiCoP의 표면도 Ni2P를 기반일 것으로 예상할 수 있다. 또한 NiCoP의 peck의 위치가 Ni2P에 비해 오른쪽으로 shift 되어있는데 이는 Co의 영향인 것으로 추측할 수 있다. Co가 표면에 소량 존재하여 peck의 위치가 바뀐 것이다.
◇ 그림 8의 데이터는 NiP 촉매와 NiCoP 촉매 표면의 elemental ratio이다. NiP 촉매의 표면은 Ni2P 기반일 것이라고 예상하였는데 elemental ratio을 보면 Ni이 P보다 2배 많은 것이 아닌 5배가 더 많다. 따라서 NiP 촉매의 표면에는 Ni2P와 순수한 Ni이 동시에 존재한다고 할 수 있다. 마찬가지로 NiCoP 촉매의 표면도 순수한 Ni이 Ni2P와 공존한다. 그리고 Co가 표면에 소량 존재할 것으로 보인다.
◇ NiP 촉매의 표면에는 Ni2P와 순수한 Ni이 공존하는데 Ni bulk Pourbaix diagram의 결과에 의하면 Ni은 HMF 산화 반응 조건에서 NiOOH로 존재하므로 NiP 촉매의 표면은 NiOOH와 Ni2P가 공존하는 형태일 것이다. 따라서 우리는 이 둘의 heterojunction이 NiP 촉매의 활성 표면이라고 가정하였다. 비슷하게 NiCoP 촉매는 NiP heterojunction 표면에 Co를 소량 도핑되어 있다고 가정하였다.
◇ 계산 결과와 실험 결과를 종합하고 적절한 가정을 통해 Ni, NiP 그리고 NiCoP 촉매의 활성 표면을 규명하였다. 그림 9a는 Ni 촉매의 표면으로 OH로 terminated된 (001) 표면이다. 그림 9b, 9c는 각각 NiP 촉매와 NiCoP 촉매의 표면을 heterojunction 형태로 모델링한 것이다. 이 세 가지 모델에서 HMF to FDCA 산화 반응 메커니즘을 규명하였다.
◇ 그림 10은 NiOOH 표면에서 메커니즘에 따른 각 흡착물들의 흡착 그림을 정리한 것이다. HMF가 FDCA로 산화되기 위해서는 HMF의 alcohol 산화가 1번, aldehyde 산화가 2번 일어나야 한다. 따라서 HMF 에서 FDCA로의 경로는 크게 2가지로 나뉘는데 HMF -> HMFCA -> FFCA -> FDCA의 경로가 있고(aldehyde 산화 -> alcohol 산화 -> aldehyde 산화), HMF -> DFF -> FFCA -> FDCA의 경로가 있다(alcohol 산화 -> aldehyde 산화 -> aldehyde 산화). Alcohol 산화의 경우 단순히 수소 2개가 전기화학적으로 deprotonation되면 aldehyde가 된다. Aldehyde 산화의 경우 수소 1개가 전기화학적으로 deprotonation되고 나서 OH가 표면에 흡착하고 OH*가 deprotonation된 reaction intermediates에 insertion되어서 carboxyl group이 형성된다.
◇ 그림 11a~c는 각각 Ni, NiP, NiCoP 표면에서의 HMF to FDCA 산화 반응 메커니즘의 free energy diagram이다. y축 스케일을 동일하게 그리면 그림 11b, c가 너무 축소되어 보이므로 그림 11b, c의 y축을 조정해서 비교할 것이다.
◇ 그림 12a, b는 각각 Ni, NiP 촉매에서의 free energy diagram이다. 스텝마다 표시된 번호를 그림 10에 따라가면 어떤 흡착물인지 확인할 수 있다. 먼저 3, 4‘, 6’‘스텝을 보면 중간체인 DFF, HMFCA, FFCA의 흡착에너지가 전부 음수이므로 자발적으로 탈착하지 않기 때문에 두 촉매 모두 FDCA까지 반응이 진행된다는 것을 알 수 있다. 그리고 각 촉매의 Rate Determining Step(RDS)의 에너지는 각각 1.93 eV, 0.15 eV이다. 즉, Ni 촉매에 비해 NiP 촉매의 성능이 매우 좋다는 것이다.
◇ 그림 13의 위쪽 2개 그림과 아래쪽 그림 2개는 각각 NiOOH 표면, NiP 표면에서의 흡착물 그림이다. NiOOH 표면에서는 흡착물들이 물리흡착과 화학흡착을 반복하지만, NiP 표면에서는 모든 흡착물들이 화학흡착을 한다. 일반적으로 물리흡착이 화학흡착보다 흡착 세기가 약하므로 NiOOH 표면에서는 높은 overpotential을 가진다. 반면에 NiP 표면의 경우 모든 흡착물들이 화학흡착하기 때문에 흡착 세기의 차이가 거의 없으므로 낮은 overpotential을 가진다.
◇ 이러한 근본적인 차이가 발생한 이유는 NiOOH 표면은 OH로 terminated되어 있어서 화학흡착이 어렵지만 NiP는 heterojunction 형태이므로 표면에 Ni이 노출될 수 있고 노출된 Ni을 통해 흡착물이 bidentate 구조로 화학흡착이 가능하다. 그림 6을 통해서도 알 수 있지만 Ni이 표면에 노출되면 표면에너지가 상당히 불안정해진다. 즉, NiOOH만으로는 노출된 Ni을 형성하기 어려우므로 HMF 산화 반응에서 좋은 성능을 낼 수 없는 것이다. 그러나 NiP heterojunction을 형성하면 heterojunction interface를 통해 노출된 Ni가 형성될 수 있으므로 좋은 성능을 낼 수 있다.
◇ 그림 14a, b는 각각 NiP, NiCoP 촉매에서의 free energy diagram이다. 두 촉매는 표면의 형태부터 매우 비슷하기 때문에 free energy diagram 형태 또한 비슷하다. 일단 NiCoP 촉매에서는 RDS가 2에서 3으로 가는 스텝으로 바뀌었다. 각 촉매의 RDS의 에너지는 각각 0.15 eV, 0.11 eV이다. 큰 차이는 없지만 NiCoP 촉매의 성능이 소폭 더 좋다고 할 수 있다. 여기서 NiP 촉매의 RDS였던 6’‘에서 7’‘’로 가는 스텝이 해소되었다는 것이 중요하다. 이 스텝은 aldehyde가 산화되는 반응인데 실험적으로도 NiCoP 촉매는 NiP 촉매 대비 aldehyde 산화가 빠른 것으로 분석되었다.
◇ 그림 15의 위쪽 2개 그림과 아래쪽 그림 2개는 각각 NiP 표면, NiCoP 표면에서의 흡착물 그림이다.
NiP, NiCoP heterojunction에서 대부분의 흡착물은 bidentate 형태로 흡착하지만, 유일하게 aldehyde 중간체만 tridentate 형태로 흡착한다. tridentate 형태로 흡착하면서 aldehyde 중간체(4‘’, 7‘’‘ 스텝)의 산소가 NiP 촉매의 경우 Ni과 결합하고 NiCoP 촉매의 경우 Co와 화학 결합하고 있다. 이 시스템에서 Co가 Ni보다 산소를 더 강하게 흡착하여 aldehyde 중간체만 흡착에너지가 더 안정해졌다. 따라서 NiCoP에서 RDS가 바뀌면서 더 낮은 overpotential을 가지게 되었다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
포스터
완료작품의 평가
향후 전망
◇ 현재 실험팀은 FDCA를 대량생산하기 위해서 HMF의 전기화학적 산화 반응의 스케일을 연구실 수준이 아닌 공장 수준으로 올리기 위한 연구를 하고 있다. 현재 실험 팀은 연구실 수준에서는 NiCoP 촉매가 좋은 성능을 보이고 있지만 scale-up을 위해 반응기의 크기를 늘리면 성능 향상이 크지 않은 문제를 겪고 있다.
◇ 우리의 연구를 통해 NiP와 NiCoP 촉매가 좋은 성능을 낸 원인이 규명되었으므로 실험팀에서는 더 많은 heterojunction을 형성하기 위한 연구를 진행하면 될 것이다. 또는 heterojunction이 형성되기 쉬운다른 물질을 활용하여 또 다른 촉매를 개발할 수도 있을 것이다. 또한 향후 새로운 계산화학 연구의 결과를 실험팀에 제공하여 궁극적으로 큰 반응기에서도 높은 성능을 내는 촉매를 개발해낼 것이다.
참고문헌
- 1. Emily A. CarterA, Density Functional + U Assessment of Oxygen Evolution Reaction Mechanisms on β‑NiOOH, 2017
