실험적인 분석과 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 쓰레기 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는 프로세스를 재조명해 촉매의 존재 하에 수소로 전환시킬 수 있는 기술이 개발되었다. 이러한 연구 결과는 수소 생산을 위한 보다 효과적인 촉매를 디자인하는데 이용될 수 있을 것이다.
수소 가스(Hydrogen gas)는 화학 연료에 대한 환경친화적인 대안이 될 수 있다. 오늘날, 증기 개질(steam reforming)로 알려진 방법을 통해 수소는 탄화수소-대부분은 천연 가스에 존재하는 메탄-증기로 깨는 과정에서 얻어지고 있다. 하지만 버려지는 바이오 매스를 발효함으로써 생산되는 에탄올은 이러한 과정을 위한 보다 깨끗한 원재료 물질이 될 수 있다.
하지만, 수년간에 걸친 광범위한 노력에도 불구하고, 에탄올에 대환 증기 개질은 산업적인 수준에 도달하기에는 너무 비효율적이었다. 이것은 여러 형태의 반응물을 만들어낼 수 있는 이 반응의 복잡성에 기인하는 바가 크다. 이와 관련해 싱가포르 A*STAR연구소(A*STAR Institute of High Performance Computing)의 Jia Zhang은 “이 반응에 대한 세부적인 이해가 부족해 이러한 문제를 해결할 수 있는 촉매를 개발하는 일이 어려웠다. 이 반응은 우리가 연구를 시작하기 전에는 완전한 하나의 블랙박스였다”고 말했다.
이제, Jia Zhang과 동료 연구자들은 에탄올이 지르코니아 기반의 산화물(zirconia-based oxides) 상에 고정된 로듐촉매(rhodium catalyst)에서 수소로 분해되는 기작을 연구하기 위해 여러 실험들과 컴퓨터 시뮬레이션을 진행했다. 이들 나노크기의 촉매들은 이미 이전의 실험에서 뛰어난 활성을 지닌 것으로 보고된 바 있다.
연구팀은 실시간으로 이 반응이 진행되는 동안 발생하는 중간체를 관찰하기 위해 가스 크래마토그래피와 질량분석기를 이용했다. 이러한 측정 결과 C2H40가 주요한 중간체임이 드러났다. 이 화합물이 만들어낼 수 있는 두 가지 가능한 구조들 중에서 아세트알데히드(acetaldehyde (CH3CHO))가 연구팀의 컴퓨터 계산 결과 존재하는 것으로 확인되었다. 이러한 계산 결과들은 또한 환원 반응을 조절하는데 있어서 물이 예상보다 중요한 역할을 한다는 사실을 보여주었다.
이러한 지식에 기반해, 연구자들은 자신들이 선택한 조건 하에서 이 반응의 메커니즘을 제안했다.수소는 대부분의 단계에서 생성되었으며 마지막 단계에서 일산화탄소가 물과 반응해 수소와 이산화탄소를 만들어냈다. 연구팀의 계산 결과는 이 마지막 단계에서의 성공이 증기 개질에 의해 생산되는 수소의 양을 결정하는데 중요하다는 사실을 보여주었다.
이에 대해 Zhang은 “우리의 이론적인 시뮬레이션과 실험 분석 결과들은 반응의 메커니즘에 대한 중요한 정보를 제공한다. 이것은 촉매를 디자인하는데 있어서 중요한 역할을 할 수 있다“고 말했다. 연구팀의 궁극적인 목적은 현재의 촉매에 비해 보다 저렴하고 효과적으로 수소를 생산할 수 있는 촉매를 디자인하는데 있다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 “Zhang, J., Zhong, Z., Cao, X.-M., Hu, P., Sullivan, M. B. & Chen, L. Ethanol steam reforming on Rh catalysts: Theoretical and experimental understanding. ACS Catalysis 4, 448–456 (2014). dx.doi.org/10.1021/cs400725k “를 참고하기 바란다.
그림: 에탄올 증기개질 반응 메커니즘에 대한 이해가 수소 생산을 위한 보다 저렴한 촉매를 만드는 기반이 된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 23일]
[원문보기]
Study could lead to improved catalysts for producing hydrogen fuel from waste biomass
Experimental analysis and computer simulations reveal new insights into the process by which ethanol produced from waste biomass can be converted into hydrogen in the presence of a catalyst. These insights should aid the design of more efficient catalysts for hydrogen production.
Hydrogen gas is an environmentally friendly alternative to fossil fuels. Today, through a process known as steam reforming, hydrogen is obtained by using steam to break up a hydrocarbon—most commonly, methane in natural gas. However, ethanol produced by fermenting waste biomass is potentially a cleaner starting material for this process.
However, despite having been extensively studied in recent years, steam reforming of ethanol is currently too inefficient to produce hydrogen on an industrial scale. This stems partly from the complexity of its reaction, which can yield a range of different products. "Our lack of understanding of the detailed reaction mechanism hinders further improvement of a catalyst for the reaction," explains Jia Zhang of the A*STAR Institute of High Performance Computing in Singapore. "The reaction was a black box before we started exploring it."
Now, Zhang and her co-workers have used experiments and computer simulations to probe how ethanol breaks down into hydrogen on rhodium catalysts supported on zirconia-based oxides. These nanosized catalysts had previously been shown to be highly active for this reaction.
The team used gas chromatography and mass spectrometry to monitor in real time the intermediate species that form as the reaction proceeds. These measurements revealed that the C2H4O species is an important intermediate. Of the two possible structures this species can adopt, acetaldehyde (CH3CHO) was identified as the most probable one by the team's computer calculations. The calculations also showed that water plays an unexpectedly important role in controlling the reaction pathway.
Based on this knowledge, the team proposed a mechanism for the reaction under their chosen conditions. Hydrogen is produced at most stages along the pathway, including the final step in which carbon monoxide reacts with water to produce hydrogen and carbon dioxide. The team's calculations showed that the success of this final step is critical in determining the amount of hydrogen produced by steam reforming.
"Our theoretical simulations and experimental analysis provide important information on the reaction mechanism," says Zhang. "This is a fundamental step forward in our understanding of the catalyst, which is the basis of catalyst design." The team's ultimate goal is to design catalysts that can produce hydrogen more cheaply and efficiently than current catalysts.
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