워싱턴 주립대학교 연구진은 석탄, 천연가스 또는 바이오매스를 액체 연료로 변환하는 핵심 산업 방법인 피셔-트롭시 합성 공정에서 자립 진동을 발견했습니다. 이 획기적인 발전은 정상 상태가 아닌 반응의 진동 거동을 밝혀 잠재적으로 보다 효율적이고 제어 가능한 연료 생산으로 이어집니다. 이번 발견은 화학 산업의 촉매 설계 및 공정 최적화에 대한 새로운 지식 기반 접근 방식을 제공합니다.
워싱턴 주립대학교 연구진은 석탄, 천연가스 또는 바이오매스를 액체 연료로 전환하는 핵심 산업 방법인 피셔-트롭시 합성 공정을 이해하는 데 있어 획기적인 발전을 이루었습니다. 안정된 상태로 유지되는 많은 촉매 반응과 달리, Fisher-Tropsch 공정은 높은 활성 상태와 낮은 활성 상태를 번갈아 가며 자립적인 진동을 나타냄을 발견했습니다.
사이언스(Science) 저널에 게재된 이번 발견은 반응 속도를 최적화하고 원하는 제품의 수율을 높여 잠재적으로 미래에 보다 효율적인 연료 생산을 가능하게 하는 가능성을 열어줍니다.
교신저자인 Norbert Kruse, Western Sydney University의 Gene and Linda Woland 화학공학 및 생명공학부 Woland 석좌 교수는 다음과 같이 말했습니다. "일반적으로 화학 산업에서는 안전 문제로 인해 큰 온도 변화가 있는 속도 진동을 원하지 않습니다. 현재의 경우 진동은 제어 가능하고 기계적으로 잘 이해됩니다. 실험적, 이론적 이해를 위한 이러한 기반을 갖추면 개발 접근 방식이 완전히 달라집니다. 이는 실제로 다음과 같은 가능성을 가질 수 있게 해줍니다. 지식 기반 접근 방식이 큰 도움이 될 것입니다."
촉매 설계 재고
Fischer-Tropsch 합성 공정은 일반적으로 연료 및 화학 물질 생산에 사용되지만 연구자들은 이 복잡한 촉매 전환 공정이 어떻게 작동하는지 거의 알지 못합니다. 이 공정에서는 촉매를 사용하여 두 개의 단순한 분자인 수소와 일산화탄소를 일상 생활에서 널리 사용되는 탄화수소인 긴 분자 사슬로 변환합니다.
100년 이상 동안 연료 및 화학 산업의 R&D는 시행착오 접근 방식에 의존해 왔습니다. 그러나 이제 연구자들은 촉매 성능을 향상시키는 진동 상태를 유도하기 위해 보다 의도적으로 촉매를 설계하고 반응을 조정할 수 있게 되었습니다.
연구원들은 대학원생 Zhang Rui가 Kruse에게 문제를 제기한 후 진동 현상을 우연히 발견했습니다. 그는 반응 온도를 안정화할 수 없었습니다. 그들은 그것을 함께 연구했을 때 놀라운 진동을 발견했습니다.
연구자들은 반응이 진동 반응 상태를 생성한다는 사실뿐만 아니라 그 이유도 발견했습니다. 즉, 반응에서 발생하는 열로 인해 온도가 상승하면 반응가스가 촉매 표면과의 접촉을 잃고 반응 속도가 느려지므로 온도가 낮아지게 된다. 온도가 충분히 낮아지면 촉매 표면의 반응성 가스 농도가 증가하고 반응 속도가 증가합니다. 따라서 온도가 상승하고 사이클이 종료됩니다.
이론과 실험의 융합
이번 연구에서 연구자들은 일반적으로 사용되는 코발트 촉매를 사용하여 실험실에서 반응을 시연하고 산화세륨을 첨가하여 조정한 다음 작동 방식을 모델링했습니다. 공동 저자 중 한 명인 Université Libre de Bruxelles의 Pierre Gaspard는 반응 프로토콜을 개발하고 이론적으로 반응의 실험 속도와 선택성을 재현하기 위해 주기적으로 변화하는 온도를 적용했습니다.
교신저자인 웨스턴 시드니 대학교 월랜더 칼리지 리전트 교수인 왕용(Yong Wang)은 "이론적으로 모델을 구축할 수 있었던 것은 정말 놀라운 일이다. 이론적 데이터와 실험 데이터는 거의 일치한다"고 말했다.
Kruse는 30년 넘게 진동 반응을 연구해 왔습니다. Fisher-Tropsch 반응의 진동 거동의 발견은 그 반응이 기계적으로 매우 복잡하기 때문에 놀랍습니다.
Kruse는 “연구에서 생각한 대로 일이 진행되지 않아 많은 차질을 겪을 때도 있지만, 설명할 수 없는 순간도 있습니다”라고 말했습니다. "이런 성취감인데, 이렇게 큰 도약을 이루었을 때의 설렘을 설명하기에는 '성취감'이 너무 약해요."