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2022년 12월 8일 (목) 21:42 판

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.

그림1 생활에 쓰이는 여러 가지 플라스틱 제품에 대한 정책

◇ 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.

그림2 화석연료 기반 PET와 바이오매스 기반 PEF

◇ 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.

그림3 전기화학적 생산을 위한 전기 촉매의 필요성

개발 과제의 목표 및 내용

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====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.
+[[파일:그림1 생활에 쓰이는 여러가지 플라스틱 제품에 대한 정책.jpg|500픽셀|섬네일|가운데|그림1 생활에 쓰이는 여러 가지 플라스틱 제품에 대한 정책]]
+◇ 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.
+[[파일:그림2 화석연료 기반 PET와 바이오매스 기반 PEF.jpg|700픽셀|섬네일|가운데|그림2 화석연료 기반 PET와 바이오매스 기반 PEF]]
+◇ 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.
+[[파일:그림3 전기화학적 생산을 위한 전기 촉매의 필요성.jpg|700픽셀|섬네일|가운데|그림3 전기화학적 생산을 위한 전기 촉매의 필요성]]
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 내용