| 태양에너지에 의한 바이오매스 완전 이용 새로운 방법 발견 | ||
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 최근, 샤먼(廈門)대학 교수 왕예(王野) 연구팀과 청쥔(程俊) 연구팀은 양자점 촉매가 리그닌 특정 화학결합에 대한 고활성화 성능을 발견하였으며 또한 해당 발견을 이용하여 최초로 가시광선 조사조건에서 천연 리그닌의 완전 전환을 구현하였다. 이로써 녹색 탄소자원의 고효율적 이용을 구현하였다. 관련 연구성과는 2018년 10월 1일 "Nature Catalysis"에 온라인으로 게재되었다. 바이오매스는 광합성작용을 통하여 형성된 다양한 유기체로서 모든 동식물 및 미생물을 포함한다. 리그노 셀룰로오스는 재생 가능한 녹색 탄소원으로서 리그닌, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스로 구성되며 지구 식물류 바이오매스의 90%를 차지하는 가장 중요한 재생 가능한 탄소원이다. 현재 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 전환 이용 기술은 상대적으로 성숙되었지만 재생 가능한 방향족화합물의 잠재적 원료 리그닌의 고효율 이용은 구현하지 못하였다. 리그닌은 주로 폐기물로 배출되는 연료이며 리그닌의 고효율 전환 이용은 바아오매스 전체 이용의 경제성 및 지속가능성을 결정한다. 리그닌은 자연계에서 저장량이 가장 풍부한 방향족화합물 소스(Source)이며 해당 화학결합 구조에서 β-O-4 결합(60% 차지) 함량이 가장 높다. 그러므로 β-O-4 결합의 선택적 절단은 고부가가치 방향족화합물 단량체를 획득하는 핵심이다. 연구팀은 가시광선 실온 조건에서 CdS 나노입자는 리그닌 모델 분자의 β-O-4 결합을 고효율로 촉매하여 절단시킬 수 있으며 그 효율은 전통적인 고온 열촉매 시스템에 비하여 높음을 발견하였다. 그러나 실제 바이오매스(자작나무)를 원료로 하는 조건에서 CdS 나노입자는 그 중의 천연 리그닌을 촉매 전환시킬 수 없었다. 그 주요 원인은 천연 리그닌은 온화한 조건에서 모든 용제에 용해되지 않기에 반응물(천연 리그닌)과 불균일 촉매가 분자 수준에서의 효과적 접촉을 구현할 수 없기 때문이며 또한 이는 온화한 조건에서 천연 리그닌 전환을 구현하지 못하는 주요 원인이다. 연구팀은 상기 문제점을 해결하기 위해 CdS 나노입자 양자점의 콜로이드 특성을 충분히 이용함과 아울러 양자점의 계면활성제와 용제 조절을 통하여 양자점의 고분산 또는 용제에서 근사한 용해를 구현하였다. 연구 결과, 가시광선 조사 조건에서 84%의 이론적 방향족화합물 단량체 수율을 확보하였다. 더 나아가 헤미셀룰로오스에 대한 약산(Weak acid) 촉매 가수분해를 통하여 84%의 크실로오스 수율을 획득하였고 셀룰로오스 효소분해를 통하여 91%의 글루코스 수율을 획득하였으며 최종적으로 리그노 셀룰로오스의 전체 이용을 구현하였다. 고압 조건, 수소기체 소모로 인한 낮은 생성물질 가치 및 낮은 수율의 전통적인 촉매 전환 방법에 비해 태양에너지 촉매 전환은 온화한 조건에서 진행되고 생성물질의 작용기를 효과적으로 보류할 수 있기에 바이오매스 기질 화학품의 부가가치를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 리그닌 전환 과정이 더욱 친환경적이다. 최근, 셀룰로오스 에탄올 시범 공장 구축 및 시험 생산이 지속적으로 수행되고 있는데 이는 셀룰로오스 에탄올 생산 기술은 양호한 전망을 보유하고 있음을 의미한다. 해당 방법을 기존의 셀룰로오스 에탄올 생산과정과 결합하여 리그노 셀룰로오스의 3가지 주요 구성 성분을 모두 이용할 수 있는 조합 바이오리파이너리(Biorefinery) 새로운 기술을 개발할 수 있다. 그러나 산업화 생산을 구현하려면 더욱 안정한 광촉매 개발이 필요하다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/10/418251.shtm |
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