합성가스로부터 올레핀을 직접 생산하는 연구의 획기적인 발전

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합성가스로부터 올레핀을 직접 생산하는 연구의 획기적인 발전 저자/출처： 날짜： 2016-10-08 클릭률：43 "Nature" 잡지는 10월 6일 중요한 결과를 발표했습니다. 상하이 고등연구소, 중국과학원, 상하이 과학기술대학교의 공동 과학 연구팀은 합성 가스에서 올레핀을 직접 생산하는 데 상당한 진전을 이루었습니다.프로젝트 리더는 Zhong Liangshu 연구원입니다. 상하이대학, 화둥사범대학, 중국과학원 물리연구소, 중국과학원 화학연구소도 일부 작업에 참여했다. 본 연구에서는 새로운 촉매 활성점 구조를 채택함으로써 온화한 조건에서 합성가스로부터 선택성이 높은 올레핀을 직접 생산할 수 있게 되었으며, 이는 합성가스의 촉매전환 분야를 확대하는 데 큰 의의가 있습니다.동시에, 이러한 성과는 높은 경제적 이익을 가져오고 우리나라 석탄화학 산업의 발전을 촉진할 것입니다. FTO 촉매의 TEM 사진.a, b, 저배율 TEM 사진；c, d, e, 고배율 TEM 사진；f, Co2C 평행육면체 나노입자의 개략도. 에너지 및 화학산업 분야에서 올레핀은 기본이면서 매우 중요한 고부가가치 화학원료입니다. 합성섬유, 합성고무, 합성플라스틱, 첨단윤활유, 고탄소알코올, 고밀도 항공유 등 많은 제품이 이를 기반으로 하고 있다.따라서 올레핀 산업의 발전 수준과 시장 수급의 균형은 전체 화학산업의 발전 수준과 산업 규모에 직접적인 영향을 미친다.최근에는 석유자원에 대한 의존도를 완화하기 위해 국내외 연구에서는 주로 비석유 루트, 즉 석탄이나 천연가스 자원을 이용하여 올레핀을 직간접적으로 제조하는 방법에 중점을 두고 있다. 현재 주류 공정은 석탄이나 천연가스로부터 합성가스(주성분은 일산화탄소와 수소, 즉 CO와 H2)를 먼저 제조한 후, 합성가스를 메탄올로 전환하고, 최종적으로 메탄올 전환 경로(메탄올을 에틸렌과 프로필렌으로 전환하는 MTO 공정, 메탄올을 프로필렌으로 전환하는 MTP 공정 포함)를 통해 올레핀 제품을 생산하는 방식이다.이 기술은 두 가지 주요 단계로 구성됩니다. 합성 가스로부터 구리 기반 촉매를 통해 메탄올을 합성하고, 분자체 촉매를 통해 메탄올을 올레핀으로 전환합니다.반응 단계를 줄이고 합성 가스를 직접 사용하여 선택성이 높은 올레핀을 합성할 수 있다면 공정이 단축되고 에너지 소비도 낮아질 것입니다. 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응 경로를 통해 합성가스로부터 올레핀을 직접 생산한다는 것은 촉매의 작용 하에 피셔-트롭쉬(FT) 반응 경로를 통해 CO와 H2가 올레핀(FTO라고도 함)을 합성하는 과정을 의미합니다.현재 FTO의 주요 문제점은 올레핀 선택성 향상과 제품 유통의 효과적인 제어입니다.FTO는 강한 발열 반응이기 때문에 과도한 반응열은 쉽게 국부적 과열, 온도 상승을 유발하고 메탄화 및 탄소 침착을 촉진할 수 있습니다. 다량의 메탄 발생은 전체 올레핀 수율을 심각하게 감소시킨다.또한, 올레핀은 FT 합성과정에서 중간생성물 역할을 하기 때문에 2차 수소화 반응에 의해 쉽게 포화 알칸으로 전환되어 올레핀 선택도가 더욱 낮아지는 문제점이 있다.상기 요인들로 인해 합성가스로부터 올레핀을 직접 생산하는 경로가 제한된다는 점을 고려할 때, 낮은 메탄 선택성과 높은 올레핀 선택성을 반영하면서 우수한 FTO 촉매 성능을 얻기 위해서는 새로운 촉매 활성 부위 구조의 개발이 필요하다. 석탄 기반 합성가스로부터 올레핀을 직접적이고 효율적으로 생산합니다. 중국과학원 상하이고등연구소 저탄소전환과학기술핵심연구소(Low-Carbon Conversion Laboratory)는 주로 저탄소 전환 및 탄소함유자원 활용을 위한 핵심기술 연구개발을 수행하고 있다. 합성가스의 촉매 전환을 위한 구조-활성 관계 및 반응 네트워크 연구와 촉매 연구 및 개발에 전념해 왔습니다.최근 저탄소전환연구실에서는 새로운 촉매를 창의적으로 개발하여 온화한 반응 조건(250oC, 1~5atm)에서 합성가스로부터 올레핀을 직접 생산하는 촉매가 높은 선택성을 얻을 수 있다는 사실을 발견했습니다. 메탄의 선택성은 5%까지 낮고, 저탄소 올레핀의 선택성은 60%에 도달할 수 있으며, 전체 올레핀의 선택성은 80% 이상으로 높을 수 있으며, 올레핀/알칸 비율은 30 이상으로 높아 FTO 성능이 우수합니다.본 연구실에서는 촉매 활성점의 성질을 규명하기 위해 심층적인 구조-활성 관계 연구를 수행하고 이론적 계산을 결합하여 활성점 구조가 {101} 및 {020} 표면이 노출된 Co2C 나노 평행면체임을 확인했습니다. 위 연구의 관련 결과는 Nature 저널에 게재되었습니다.석유가 부족하고, 가스가 적고, 석탄이 풍부한 우리나라의 자원 특성에 근거하여 이 기술은 산업 응용 가능성이 높고 경제적 이익이 높습니다. 현재 중국과학원 상하이고등연구소는 협력 단위인 산시루안그룹(Shanxi Lu'an Group) 및 기타 기업과 촉매 규모 확대 준비, 반응기 설계 및 공정 개발 등의 측면에서 협력하기로 합의했으며, 조속히 산업 실증 및 산업화를 달성하고 우리나라 석탄화학 산업의 발전을 촉진하기 위해 노력하고 있습니다.