| [미국] 저렴하고 청정한 바이오연료를 위한 다기능 나노입자의 생성
미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 에임즈 연구소(Ames Laboratory) 소속의 연구진은 공정을 병합할 뿐 아니라 비용을 줄이기 위하여 폭넓게 이용할 수 있는 재료를 사용하는 보다 더 신속하고, 청정한 바이오연료 정제 기술(biofuel refining technology)을 창출했다.
에임즈 연구소 소속의 연구진은 조류와 같은 재생 공급 원료로부터 오일의 수소 첨가 반응(hydrogenation)으로 생성되는 대체 연료인 녹색 디젤(green diesel)의 생성을 위하여 한 번에 두 가지 공정 기능을 수행할 수 있는 나노입자를 개발했다.
연구진이 개발한 방법은 알코올과 지방 및 오일의 반응을 수행함으로써 바이오디젤(biodiesel)을 제조할 수 있는 공정을 수립하는 것에서 출발했다.
관습적으로 당신이 미세조류 오일 같은 지방산이 풍부한 공급 원료로부터 바이오디젤을 제조하고자 할 때, 당신은 먼지 촉매의 효과를 망칠 수 있는 지방산(fatty acid)을 분리해야만 하고, 이후 연료를 생산하는 촉매 반응을 수행할 수 있다고 에임즈 연구소 소속의 과학자인 Igor Slowing은 밝혔다.
다기능성 나노입자를 고안하고 바이오디젤보다는 녹색 디젤에 초점을 맞춤으로써, 우리는 다수의 공정을 보다 더 신속하고 청정한 하나의 공정으로 병합할 수 있었다고 Slowing은 밝혔다. 바이오디젤과 반대로, 녹색 디젤은 지방과 오일의 수소 첨가 반응에 의해 생성되고, 녹색 디젤의 화학적 조성은 석유를 기반으로 하는 디젤의 화학적 조성과 매우 유사하다. 녹색 디젤은 보다 더 높은 에너지 밀도를 가질 뿐 아니라, 더 안정적인 특징을 가지는 등 바이오디젤을 능가하는 많은 장점을 가지고 있다.
Slowing, Kapil Kandel, Conerd Frederickson, Erica A. Smith 및 Young-Jin Lee 등을 포함한 에임즈 연구소 소속의 연구진은 먼저 두 개의 기능을 가지는 메조구조의 나노입자(bi-functionalized mesostructured nanoparticle)를 이용하는데 성공했다. 이러한 질서 정연한 다공성 입자는 유리지방산(free fatty acid)을 포획할 수 있는 아민기(amine group)와 산을 녹색 디젤로 전환시키는 반응을 촉매화하는 니켈 나노입자(nickel nanoparticle)를 포함한다. 니켈은 백금과 팔라듐과 같은 지방산 수소 촉매 반응에서 전통적으로 사용되고 있는 귀금속에 대한 약 200배 더 저렴한 대안이기 때문에, 과학자 집단에서 폭넓게 연구되어 왔다.
또 두 개의 기능을 가지는 나노입자(bi-functional nanoparticle)의 생성은 결과적으로 얻어지는 녹색 디젤을 개선했다. 연료 전환 자체에 대하여만 니켈을 이용하여, 공정은 분해되어야 하는 탄화수소 고리를 가지는 매우 강력한 반응을 초래했다. 열분해(cracking)라고 명명하는 공정은 연료로 더 적은 가능성을 가지는 물질을 생성했다.
연구진이 지방산의 격리에 책임이 있는 구성 원소를 첨가했을 때, 매우 흥미로운 일이 일어났다고 Slowing은 밝혔다. 연구진은 더 이상 분자의 열분해를 관찰할 수 없었다. 따라서 전체적인 결과는 디젤과 훨씬 더 유사하게 보이는 탄화수소를 생성하는 보다 더 우수한 촉매로 이어졌다고 Slowing은 설명했다.
또 이것은 오일을 생성하고 난 뒤에 약품과 식품 산업에서 유용할 가능성이 있는 귀중한 분자인 다른 구성 원소를 남겼다고 Slowing은 덧붙였다.
그러나 Kapil Kandel, James W. Anderegg, Nicholas C. Nelson 및 Umesh Chaudhary 등과 함께 Slowing은 촉매로 철을 이용하여 추가적인 공정을 수행했다. 철(iron)은 니켈보다 100배 더 저렴하다. 공정에서 철을 이용하여 이산화탄소 소실을 줄이고 보다 더 신속한 전환을 수행하는 등 최종 생성물을 추가로 개선했다.
DOE의 임무의 일환으로, 연구진은 공정을 생성하기 위하여 필요한 기초 과학의 연구에 초점을 맞추었다. 그러나 결과적으로 얻어진 기술은 산업에서 규모를 확대할 수 있는 원리가 되어야만 한다고 그는 밝혔다.
관련 공정을 기술한 논문의 제목은 “재생 가능한 공급 원료의 정제를 위한 두 가지 기능을 가진 흡착제-촉매 나노입자(Bifunctional Adsorbent-Catalytic Nanoparticles for the Refining of Renewable Feedstocks)”로 2013년 ACS 저널인 Catalysis에 발표됐으며, "미세조류 오일의 수소 첨가 반응에 의한 녹색 디젤 생성을 지원하는 철 나노입자(Supported Iron Nanoparticles for the Hydrodeoxygenation of Microalgal Oil to Green Diesel)"라는 제목의 논문은 2014년 5월 Catalysis 저널에 발표됐다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 5월 16일]
[원문보기]
Researchers create multifunctional nanoparticles for cheaper, cleaner biofuel
The U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory has created a faster, cleaner biofuel refining technology that not only combines processes, it uses widely available materials to reduce costs.
Ames Laboratory scientists have developed a nanoparticle that is able to perform two processing functions at once for the production of green diesel, an alternative fuel created from the hydrogenation of oils from renewable feedstocks like algae.
The method is a departure from the established process of producing biodiesel, which is accomplished by reacting fats and oils with alcohols.
“Conventionally, when you are producing biodiesel from a feedstock that is rich in free fatty acids like microalgae oil, you must first separate the fatty acids that can ruin the effectiveness of the catalyst, and then you can perform the catalytic reactions that produce the fuel,” said Ames Lab scientist Igor Slowing. “By designing multifunctional nanoparticles and focusing on green diesel rather than biodiesel, we can combine multiple processes into one that is faster and cleaner.”
Contrary to biodiesel, green diesel is produced by hydrogenation of fats and oils, and its chemical composition is very similar to that of petroleum-based diesel. Green diesel has many advantages over biodiesel, like being more stable and having a higher energy density.
An Ames Lab research group, which included Slowing, Kapil Kandel, Conerd Frederickson, Erica A. Smith, and Young-Jin Lee, first saw success using bi-functionalized mesostructured nanoparticles. These ordered porous particles contain amine groups that capture free fatty acids and nickel nanoparticles that catalyze the conversion of the acids into green diesel. Nickel has been researched widely in the scientific community because it is approximately 2000 times less expensive as an alternative to noble metals traditionally used in fatty acid hydrogenation, like platinum or palladium.
Creating a bi-functional nanoparticle also improved the resulting green diesel. Using nickel for the fuel conversion alone, the process resulted in too strong of a reaction, with hydrocarbon chains that had broken down. The process, called “cracking,” created a product that held less potential as a fuel.
“A very interesting thing happened when we added the component responsible for the sequestration of the fatty acids,” said Slowing. “We no longer saw the cracking of molecules. So the result is a better catalyst that produces a hydrocarbon that looks much more like diesel.“
“It also leaves the other components of the oil behind, valuable molecules that have potential uses for the pharmaceutical and food industries,” said Slowing.
But Slowing, along with Kapil Kandel, James W. Anderegg, Nicholas C. Nelson, and Umesh Chaudhary, took the process further by using iron as the catalyst. Iron is 100 times cheaper than nickel. Using iron improved the end product even further, giving a faster conversion and also reducing the loss of CO2 in the process.
“As part of the mission of the DOE, we are focused on researching the fundamental science necessary to create the process; but the resulting technology should in principle be scalable for industry,” he said.
The process is discussed in a paper, “Bifunctional Adsorbent-Catalytic Nanoparticles for the Refining of Renewable Feedstocks” published in 2013 in ACS Catalysis, and also in “Supported Iron Nanoparticles for the Hydrodeoxygenationof Microalgal Oil to Green Diesel” published in May 2014 in the Journal of Catalysis.
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