백서(White Paper): 지속 가능한 화학 생산을 위한 전기 촉매
이 백서는 메틀러 토레도 기술이 제공하는 심층적인 정보와 정밀한 제어가 4가지 주제 주제에 걸쳐 친환경적이고 지속 가능한 화학을 지원하는 데 어떻게 도움이 되는지를 보여주는 최근 동료 검토 연구의 사례를 제시합니다.
- 친환경 합성 및 공정
- 연속 가공을 통한 지속 가능성
- 재생 가능한 자원의 가치화
- 이산화탄소 격리 및 사용
전기 촉매 작용이란 무엇입니까?
메커니즘, 응용 프로그램, 예제 및 기술
전기 촉매는 전류가 화학 반응을 유도하는 촉매 과정의 특정 범주를 나타냅니다. 이 현상은 일반적으로 촉매가 존재하는 전극 표면에서 발생하여 반응 역학을 향상시키고 반응을 진행하기 위해 극복해야 하는 열역학적 에너지 장벽을 감소시킵니다.
전기 촉매는 전기화학적 변환에 필요한 활성화 에너지를 변경하여 혁신적인 반응 경로를 통해 더 넓고 선택적인 반응 범위를 허용합니다.
전기 촉매 연구를 위한 기술에 대해 자세히 알아보십시오.
전기 촉매가 중요한 이유는 무엇입니까?
전기화학과 전기촉매는 몇 가지 상호 연결된 이유로 유기 화학에서 중요합니다. 전기 촉매 합성에 사용되는 전이 금속 착물은 새로운 경로, 메커니즘 및 중간체의 생성을 촉진하여 기존의 합성 전략으로는 종종 까다롭거나 실현 불가능한 화학적 변형을 가능하게 합니다. 전위를 미세 조정함으로써 연구원들은 부산물의 형성을 최소화하면서 높은 선택성을 달성할 수 있습니다.
전기 촉매는 C–H 결합의 기능화, 교차 커플링 반응, 산화 및 환원 공정과 같은 주요 화학적 변형에서 효과적인 것으로 입증되었습니다. 또한 유해하거나 독성이 있거나 에너지가 높은 화학 시약에 의존하는 대신 전자 를 사용하여 온화한 조건에서 화학적 변형을 유도하는 것은 녹색 화학의 원칙에 부합하여 오염을 줄이고 지속 가능한 생산을 촉진합니다.
전기 촉매는 또한 청정 에너지 생산의 전 세계적인 추구에 중요한 역할을 합니다. 연료 전지와 같은 지속 가능한 에너지 기술은 산소 환원, 산소 발생 및 수소 발생 반응을 위해 전기 촉매에 의존합니다. 철 및 니켈과 같은 지구가 풍부한 금속과 그래핀과 같은 탄소 기반 촉매를 사용하는 고급 전기 촉매의 개발이 빠르게 진행되고 있어 에너지 응용 분야에서 전기 촉매의 잠재력이 더욱 향상되고 있습니다.
Heterogeneous and Homogeneous Electrocatalysis
전기 촉매는 동질적이거나 이질적일 수 있습니다. Homogeneous electrocatalysis는 특정 유기 화학 물질 또는 전이 금속 복합체일 수 있는 전기화학적 산화 환원 감속재를 사용하여 전자 전달의 효율성을 향상시킵니다. 대조적으로, 이종 전기 촉매는 전극 표면 자체가 촉매 역할을 하여 반응물로의 전자 전달을 촉진할 때 발생합니다. 이종 전기 촉매와 균질 전기 촉매의 주요 차이점은 반응물과 전해질에 대한 촉매의 상 관계에 있습니다.
전기합성(electrosynthesis) 및 전기촉매(Electrocatalysis) 응용분야를 위한 기술
전기합성(electrosynthesis) 및 전기촉매(Electrocatalysis) 응용분야를 위한 기술
Raman 및 FTIR과 같은 분광 기술은 전기 촉매에 사용되어 동적 프로세스를 검사하고 전기 화학 반응의 메커니즘을 명확히 하여 촉매 설계 및 성능을 향상시킵니다.
In-Situ 전기화학 적외선 분광법
ReactIR™ 은 반응이 진행됨에 따라 반응물, 시약, 중간체, 생성물 및 부산물에 대한 실시간 반응 추세 정보를 제공합니다. 이를 통해 역학, 메커니즘, 경로, 촉매 주기 및 반응 변수가 성능에 미치는 영향에 대한 정확한 정보를 생성할 수 있습니다. 광섬유로 연결된 침지 프로브와 인라인 플로우 셀은 반응 용기 또는 연속 유동 시스템에서 용액상 화학을 직접 모니터링할 수 있는 유연성을 제공합니다.
In-situ/operando FTIR 분광기는 반응 용기, 전해 셀 내에서 실시간으로 또는 전기 합성 플로우 셀의 인라인 모니터링을 통해 전기 촉매 화학을 추적하고 분석합니다. 이 기술을 통해 연구원들은 반응 용액의 적외선 스펙트럼 변화를 분석하여 미세 조정 전기 전위, 시약 농도 및 전해질 조성과 같은 다양한 요인이 합성에 어떤 영향을 미치는지 관찰할 수 있습니다. FTIR 분광법을 사용하면 전기 촉매 공정 에 의해 형성된 출발 물질 및 생성물과 주요 중간체의 농도 변화를 모니터링할 수 있습니다.얻은 정보는 종종 반응 역학 및 메커니즘에 대한 탁월한 통찰력과 전자 전달, 촉매 상태, 촉매 주기, 촉매 구조-활성 관계 및 촉매 분해에 대한 완전한 이해를 제공합니다.
In-Situ Raman 분광 전기화학
소형 고성능 ReactRaman™ 분광기는 침지 프로브, 인라인 플로우 셀 및 비접촉 분석 프로브를 포함한 광섬유 연결 샘플링 인터페이스를 통해 현장 응용 분야에 최적화되어 있습니다. 포괄적이고 직관적인 iC 라만™ 소프트웨어는 실시간 반응 추세 분석을 통해 고품질 데이터 및 반응 정보를 제공합니다.
In-situ/operando 라만 분광법은 전기 촉매 반응을 조사하기 위한 효과적인 기법으로, 전기 촉매 반응 종을 실시간으로 추적하고 특성화하기 위해 FTIR과 유사한 많은 이점을 제공합니다. 라만 분광법은 수성 매질에서 수행된 합성을 분석하는 데 특히 적합합니다. 또한 라만 분광법은 표면 구조 와 전해질-전극 계면을 조사하고 촉매 표면에 결합된 분자 종을 식별하는 데 탁월하여 전기 촉매의 기본 메커니즘에 대한 이해를 높일 수 있습니다.
산업에서의 전기 촉매 응용 분야
산소 발생 반응을 위한 메조다공성 Ni-Fe 전기 촉매의 현장 템플릿 합성
Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X., & Yang, S. (2020). 산소 발생 반응을 위한 메조다공성 Ni-Fe 전기 촉매의 현장 템플릿 합성. RSC 어드밴스,10(39), 23321–23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
전기 촉매 개발을 지원하기 위해 ReactRaman은 메조다공성 Ni-Fe 전기 촉매 내부 및 표면의 결합에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
저자는 산소 진화 반응(OER)에 사용하기 위한 전기 촉매 개발의 중요성에 대해 언급합니다. 이러한 전기 촉매는 촉매 표면 전체에 고르게 분포되어 있고 쉽게 사용할 수 있는 활성 부위와 같은 특정 핵심 효율 특성을 가져야 하는 동시에 비용 효율적이고 지속 가능해야 합니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 그들은 간단한 접근 방식을 사용하여 Ni²⁺ 및 Fe³⁺를 분산시키는 메조다공성 흄드 실리카(MFS) 프레임워크를 준비하는 방법을 연구하고 개발했습니다. 이 방법은 시중에서 판매되는 MFS를 3D 지지대로 사용하여 금속 이온을 부착합니다. MFS 금속 함침 구조를 KOH로 에칭함으로써 형성된 Ni-Fe-O 전기 촉매는 우수한 전하 전달 능력, 큰 전기화학적 활성 표면적 및 전반적으로 우수한 안정성과 같은 OER의 주요 특성을 갖습니다.
일련의 NiFe-MFS 촉매는 금속-이온 수용액의 상이한 몰 비율로 합성되었습니다. 이러한 전기 촉매의 미세 구조에 대한 자세한 이해를 개발하기 위해 일련의 기술이 사용되었습니다. 여기에는 나노 구조를 조사하기 위한 투과 전자 현미경, Ni, Fe, Si 및 O 원소 분포를 매핑하기 위한 에너지 분산 X선, 샘플의 결정도를 분석하기 위한 X선 회절이 포함되었습니다. 형태학은 방출 주사 전자 현미경으로 연구되었습니다. X선 광전자 분광법은 원소 결합 에너지를 분석하고, 원소 분석은 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광계를 사용하여 수행했습니다. 표면적과 구조 다공성은 질소 가스 흡착-탈착 측정을 사용하여 조사되었습니다.
흄드 실리카 지지체에 대한 Ni/Fe 금속의 결합은 ReactRaman 분광법으로 분석 및 검증되었습니다. 도핑되지 않은 MFS의 경우 일련의 Si-O-Si 및 Si-OH 진동 결합에서 발생하는 345-450, 575, 750, 973 및 1070cm⁻¹의 대역이 관찰됩니다. 철 함량이 높은 샘플의 경우 332, 495 및 1163cm⁻¹의 띠가 각각 O-Fe-O 굽힘, Fe-O-Si 굽힘 및 Fe-O-Si 비대칭 신축에서 발생하는 것이 관찰됩니다. 이러한 관찰은 철이 실리카 격자에 효과적으로 통합되었음을 나타냅니다. 대조적으로, 니켈이 흄드 실리카에 함침되었을 때, 973 cm⁻¹ 표면 Si-OH 스트레칭 밴드가 현저히 약화되었고, 추가적인 밴드가 관찰되지 않았다. X선 광전자 및 라만 측정을 평가한 결과, Fe³⁺는 흄드 실리카의 틀에 삽입하는 것을 선호하고 Fe-O-Si 결합을 형성하는 반면, Ni²⁺는 흄드 실리카 표면에서 Si-OH 그룹과 공유 결합한다는 결론에 도달했습니다.
일련의 전기 분석 연구가 수행되어 성능에 대한 금속 이온 비율의 중요성과 최적의 함량에서 Ni 및 Fe 결합이 최적의 OER 효율성과 반응 역학 개선으로 이어진다는 것을 보여주었습니다. 1Ni1Fe-MFS 샘플은 가장 높은 OER 고유 활성을 나타낸 반면, 2Ni1Fe-MFS 촉매는 더 큰 이중층 커패시턴스와 전기화학적으로 활성 표면적을 가졌습니다. OER 후 촉매의 변화를 결정하기 위해 일련의 분광 조사가 수행되었습니다. 그들은 KOH의 존재 하에서 Si가 에칭되어 OER 활성 중심인 Ni 및 Fe 원소를 노출시키는 것을 보여주었습니다. 추가 연구에 따르면 장기간 전기 작동 후에도 2Ni1Fe-MFS 촉매는 IrO₂ 및 RuO₂ 전극을 사용한 비교 테스트에서 OER 공정 중에 매우 효율적이고 안정적으로 유지되는 것으로 나타났습니다.
재생 가능한 용매에서 코발트 촉매에 의한 전기화학적 C−H 아민화
Sauermann, N., Mei, R. 및 Ackermann, L. (2018). 재생 가능한 용매에서 코발트 촉매에 의한 전기화학적 C−H 아민화. Angewandte Chemie 국제판, 57(18), 5090–5094. https://doi.org/10.1002/anie.201802206
ReactIR은 제안된 C−H 아민화 전기 촉매 사이클에 대한 운동 및 기계론적 정보를 제공합니다.
저자는 치환된 아민의 광범위한 중요성과 이러한 주요 화합물을 합성하는 다양한 방법에 대해 언급합니다. 여기에는 팔라듐 촉매를 사용한 금속 촉매 교차 커플링 반응 또는 안정적인 C−H 결합의 직접 아민화가 포함되며 , 이는 할로겐화 아릴을 사용할 필요성을 제거합니다. 후자의 경우, 화학량론적 양의 구리(II) 또는 은(I) 염이 필요하며, 이는 바람직하지 않은 금속 함유 부산물의 형성으로 이어질 수 있습니다. 대조적으로, 이 팀이 제시한 연구는 C−H 활성 아민화를 달성하기 위한 지속 가능하고 저렴한 수단으로 전기를 사용합니다. 그들의 작업에는 C−H 기능화 및 높은 선택성을 가진 코발트 촉매 전기화학적 C−H 아민화를 위해 재생 가능한 용매를 사용하는 것이 포함됩니다 . 코발트 염을 효과적인 촉매로 식별하고 바이오매스 유래 재생 가능 용매인 g-valerolactone을 반응 용매로 사용하는 것을 포함하여 전기 촉매 아민화를 최적화하기 위해 상당한 노력을 기울였습니다. 또한, 전기화학적 아민화는 카르복실레이트의 존재를 필요로 하는 것으로 확인되었으며, 아세트산칼륨이 가장 효과적인 첨가제로 확인되었습니다.
관련 간행물
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