나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 칭다오(靑島) 에너지 및 과정 연구소 저탄소 촉매 전환 연구팀이 최근 관련 연구를 통해 간편하고 친환경적이며 가격이 낮고 산업화가 가능한 새로운 제조 방법을 개발함. 해당 방법은 재생 가능한 바이오매스를 C와 N원천으로 사용하는 동시에 저렴한 가격의 Fe(NO₃)₃을 철 원천으로 사용하여 한 가지 나노 하이브리드 촉매제 Fe-Fe₃C@NC-T(T는 탄화 온도를 대표함)를 제조함.

동 촉매제는 금속 Fe-Fe₃C 나노 입자와 Fe-N_x활성 위치 점으로 구성되며 온화한 조건 하에서 녹색 친환경 H₂O₂를 산화제로 사용하며 수상(水相)에서 아민(amine)과 알데히드(aldehyde)의 산화 커플링을 통해 중요한 약물 중간체 퀴놀린(quinoline)과 퀴나졸리논(quinazolinone)의 환경 친화적이고 효율적인 합성을 실현할 수 있음. 연구팀은 이번 연구를 통해 금속 나노입자인 Fe-Fe₃C와 Fe-Nx 활성 중심 간의 협동 역할은 반응의 활성과 목표 생성물에 대해 선택성을 극도로 향상시킬 수 있게끔 한다는 점을 발견하였음. 연구팀은 이번 연구를 통해 나노 구조를 보유한 촉매제는 방향족 니트로 화합물(nitro compound)에 직접 수소를 첨가하여 환원하거나 수소를 전이 환원하여 아닐린(aniline) 파생물을 합성하였는데 니트로 화합물(nitro compound)에 대한 원 포트(one-pot) 방법을 이용한 포르밀화(formylation) 반응은 모두 우수한 촉매 활성과 안정성을 나타낸다는 점을 입증함.　이 연구들을 통해 풍부한 저장량, 무독성, 강한 생물 호환성 및 친환경적인 비(非) 귀금속 몰리사이트 및 죽순을 원자재로 사용한 동시에 편리하고 친환경적이며 산업화가 가능한 제조 방법을 사용하여 일종 신형의 N 도핑 탄소를 개발하였으며, 독특한 코어 쉘 구조를 보유한 Fe 나노 하이브리드 촉매제를 개발하였음.

연구팀은 일련의 구조 캐릭터리제이션(Characterization), 예를 들면 고 분해 투과전자현미경(HR-TEM), X선 회절(XRD), 고 각도 환형 암시야 주사투과전자현미경(HAADF-STEM), 라만 분광(Raman), N2 흡착 및 탈착 곡선(BET, Brunauer Emmet Teller) 등에 대한 분석을 통해 동 촉매제가 N 도핑 흑연 탄소 층 코팅 층의 Fe/Fe3C 나노 입자 코어 쉘 구조를 형성한다는 점을 입증하였으며, 높은 비표면적, 큰 기공 부피(pore volume), 계층적 다공성(hierarchical porous) 등 구조 특징을 보유하고 있다는 점을 발견하였음. 이 촉매제는 온화한 조건 하에서 효율적으로 아민(amine)과 알데히드(aldehyde) 산화 커플링을 통해 중요한 약물 중간체인 질소 함유 헤테로 고리 화합물(Nitrogenous heterocyclic compound) 퀴나졸린(quinazoline)과 퀴나졸리논(quinazolinone)을 합성할 수 있음. 촉매제의 활성은 균일 위상(homogeneous phase) 촉매제와 비교될 수 있는 수준에 도달하며, 우수한 기본 물질의 보편 적용 특성을 보유하고 있는 동시에 여러 차례 순환 이용을 한 후에도 뚜렷한 촉매 활성의 변화가 발생하지 않으며 우수한 촉매 성능 안정성을 나타내고 있음. 뿐만 아니라 산(酸) 에칭, SCN-독성화 등 실험을 실행하였는데 실험 결과 금속 상태의 Fe/Fe3C 나노 입자와 Fe-Nx 활성 성분의 협동 효과는 동 촉매제의 우수한 촉매 활성, 높은 선택성 및 안정성을 보유할 수 있도록 하는 주요 원인이 되는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 재생 가능한 바이오매스를 원료로 사용하여 탄소 기반 비(非) 귀금속 나노 하이브리드 구조 촉매제를 개발할 수 있는 새로운 전략을 제시하였으며, 질소 함유 헤테로 고리 화합물 합성을 위해 효율적이고 온화하며 친환경적인 새로운 방법을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Chemical Science’에 게재됨.