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라이스 대학교의 엔지니어들은 연속 촉매 반응기를 통해 일산화탄소를 아세트산(식초에 강한 맛을 내는 데 널리 사용되는 화학 물질)으로 직접 변환하고 있으며, 이 반응기는 재생 가능한 전기를 효율적으로 사용하여 고순도 제품을 생산할 수 있습니다.
라이스 대학교 브라운 공과대학 화학 및 생물분자 공학 연구실에서 개발된 전기화학적 공정은 일산화탄소(CO)를 아세트산으로 환원하는 기존 방식들의 문제점을 해결했습니다. 기존 방식들은 생성물을 정제하기 위한 추가 단계를 필요로 했습니다.
이 친환경 반응기는 나노미터 크기의 입방형 구리를 주 촉매로 사용하고 독특한 고체 전해질을 활용합니다.
150시간 동안 연속 실험실 운전을 통해 이 장비로 생성된 수용액의 아세트산 함량은 최대 2%에 달했습니다. 산 성분의 순도는 98%로, 일산화탄소를 액체 연료로 촉매 전환하려는 초기 시도에서 생성된 산 성분보다 훨씬 우수합니다.
아세트산은 식초 및 기타 식품과 함께 의료 분야에서 방부제로 사용됩니다. 또한 잉크, 페인트 및 코팅제의 용매로 사용되며, 아세트산 비닐 생산에 사용되는 원료이기도 합니다. 아세트산 비닐은 일반 백색 접착제의 전구체입니다.
라이스 공정은 왕 교수 연구실의 반응기를 기반으로 이산화탄소(CO2)로부터 포름산을 생산하는 방식입니다. 이 연구는 왕 교수(최근 패커드 펠로우로 임명됨)에게 중요한 토대를 마련해 주었고, 그는 이를 계기로 미국 국립과학재단(NSF)으로부터 200만 달러의 연구비를 지원받아 온실가스를 액체 연료로 전환하는 방법을 지속적으로 연구할 수 있게 되었습니다.
왕 대표는 “우리는 1탄소 화학 물질인 포름산을 2탄소 화학 물질로 업그레이드하는 작업을 진행하고 있는데, 이는 더욱 어려운 과제입니다.”라며, “기존에는 액체 전해액을 이용해 아세트산을 생산했지만, 성능이 저조하고 전해액 분리 문제가 발생했습니다.”라고 밝혔습니다.
센프트는 덧붙여 “물론 아세트산은 일반적으로 CO나 CO2로부터 합성되지 않습니다.”라고 말하며, “핵심은 바로 이것입니다. 우리는 줄이고자 하는 폐가스를 흡수하여 유용한 제품으로 바꾸고 있는 것입니다.”라고 설명했다.
구리 촉매와 고체 전해질 사이의 정밀한 결합이 이루어졌으며, 고체 전해질은 포름산 반응기에서 옮겨졌습니다. 왕 교수는 "구리는 때때로 두 가지 다른 경로를 통해 화학 물질을 생성할 수 있습니다."라고 말했습니다. "구리는 일산화탄소를 아세트산과 알코올로 환원시킬 수 있습니다. 우리는 탄소-탄소 결합을 제어할 수 있는 면을 가진 정육면체를 설계했는데, 탄소-탄소 결합의 모서리에서는 다른 생성물이 아닌 아세트산이 생성됩니다."
센프트와 그의 팀이 개발한 컴퓨터 모델은 큐브의 형태를 더욱 정교하게 다듬는 데 도움을 주었습니다. 그는 "우리는 큐브의 모서리 유형을 보여줄 수 있는데, 이는 기본적으로 더 울퉁불퉁한 표면입니다. 이러한 모서리는 특정 CO 결합을 끊는 데 도움이 되어 제품을 다양한 방식으로 조작할 수 있게 해줍니다."라고 말했습니다. "더 많은 모서리 부위는 적절한 시기에 적절한 결합을 끊는 데 도움이 됩니다."
센프트러는 이 프로젝트가 이론과 실험을 어떻게 연결해야 하는지 잘 보여주는 사례라고 말했다. 그는 "반응기 구성 요소 통합부터 원자 수준의 메커니즘에 이르기까지, 이는 다양한 수준의 엔지니어링이 융합된 좋은 예"라며, "분자 나노기술이라는 주제에 부합하고, 이를 실제 기기에 어떻게 적용할 수 있는지 보여준다"고 덧붙였다.
왕 교수는 확장 가능한 시스템 개발의 다음 단계는 시스템의 안정성을 개선하고 공정에 필요한 에너지를 더욱 줄이는 것이라고 말했다.
라이스 대학교 대학원생인 주펑, 류춘옌, 샤촨과 박사후 연구원인 J. 에반스 애트웰-웰치가 이 논문의 주요 책임자입니다.
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