촉매는 메탄을 유용한 것으로 바꿀 수 있다

메탄 가스는 이산화탄소보다 풍부하지는 않지만 분자 구조상 대기 중에 더 많은 열을 가두기 때문에 지구 온난화에 불균형적으로 더 큰 영향을 미칩니다.

MIT 화학 엔지니어들은 이제 메탄을 유용한 폴리머로 전환할 수 있는 새로운 촉매를 설계했는데, 이는 온실 가스 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

"메탄을 어떻게 처리할지는 오랜 문제였습니다." MIT의 Carbon P. Dubbs 화학공학 교수이자 이 연구의 수석 저자인 마이클 스트라노의 말입니다. "메탄은 탄소의 원천이며, 우리는 그것을 대기에서 멀리하고 싶지만, 또한 유용한 것으로 바꾸고 싶습니다."

새로운 촉매는 실온과 대기압에서 작동하므로 발전소나 가축 헛간과 같은 메탄 생산 현장에 배치하는 것이 더 쉽고 경제적일 수 있습니다.

Daniel Lundberg 박사 '24와 MIT 포스트닥 Jimin Kim이 Nature Catalysis 에 게재된 연구의 주요 저자입니다 . 전 포스트닥 Yu-Ming Tu와 포스트닥 Cody Ritt도 논문의 저자입니다.

메탄 포집

메탄은 메탄생성균으로 알려진 박테리아에 의해 생성되는데, 이 박테리아는 종종 매립지, 습지 및 기타 부패하는 바이오매스 장소에 고농도로 존재합니다. 농업은 메탄의 주요 공급원이며, 메탄 가스는 천연 가스를 운송, 저장 및 연소하는 부산물로도 생성됩니다. 전반적으로 지구 온도 상승의 약 15%를 차지하는 것으로 여겨집니다.

분자 수준에서 메탄은 네 개의 수소 원자에 결합된 단일 탄소 원자로 구성됩니다. 이론적으로 이 분자는 폴리머와 같은 유용한 제품을 만드는 데 좋은 구성 요소가 되어야 합니다. 그러나 메탄을 다른 화합물로 전환하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다. 다른 분자와 반응시키려면 일반적으로 고온과 고압이 필요하기 때문입니다.

에너지 입력 없이 메탄 전환을 달성하기 위해 MIT 팀은 제올라이트와 자연적으로 발생하는 효소라는 두 가지 구성 요소가 있는 하이브리드 촉매를 설계했습니다. 제올라이트는 풍부하고 저렴한 점토와 같은 광물이며, 이전 연구에서는 메탄을 이산화탄소로 전환하는 촉매로 사용할 수 있다는 것을 발견했습니다.

이 연구에서 연구자들은 철-변형 알루미늄 실리케이트라는 제올라이트를 알코올 산화효소라는 효소와 함께 사용했습니다. 박테리아, 균류, 식물은 이 효소를 사용하여 알코올을 산화시킵니다.

이 하이브리드 촉매는 제올라이트가 메탄을 메탄올로 전환하고, 그런 다음 효소가 메탄올을 포름알데히드로 전환하는 2단계 반응을 수행합니다. 이 반응은 또한 과산화수소를 생성하고, 이는 제올라이트로 다시 공급되어 메탄을 메탄올로 전환하기 위한 산소 공급원을 제공합니다.

이 일련의 반응은 실온에서 발생할 수 있으며 고압이 필요하지 않습니다. 촉매 입자는 물에 현탁되어 주변 공기에서 메탄을 흡수할 수 있습니다. 연구자들은 미래의 응용을 위해 표면 칠할 수 있을 것으로 예상합니다.

"다른 시스템은 고온, 고압에서 작동하며, 값비싼 화학 물질인 과산화수소를 사용하여 메탄 산화를 촉진합니다. 하지만 저희 효소는 산소에서 과산화수소를 생산하므로 저희 시스템은 매우 비용 효율적이고 확장성이 있을 수 있다고 생각합니다."라고 김씨는 말합니다.

건축용 폴리머

포름알데히드가 생성되면 연구자들은 소변에서 발견되는 질소 함유 분자인 요소를 첨가하여 폴리머를 생성하는 데 이 분자를 사용할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 요소-포름알데히드라는 수지와 같은 이 폴리머는 현재 파티클 보드, 직물 및 기타 제품에 사용됩니다.

연구자들은 이 촉매가 천연 가스를 운반하는 데 사용되는 파이프에 통합될 수 있다고 생각합니다. 이러한 파이프 내에서 촉매는 파이프의 균열을 치유하는 실런트 역할을 할 수 있는 폴리머를 생성할 수 있습니다. 이 균열은 메탄 누출의 일반적인 원인입니다. 연구자들은 촉매가 메탄 가스에 노출된 표면을 코팅하는 필름으로 적용되어 제조에 사용할 수 있는 폴리머를 생산할 수도 있다고 말합니다.

Strano의 연구실은 현재 대기에서 이산화탄소를 제거하고 질산염과 결합하여 요소를 생산하는 데 사용할 수 있는 촉매를 연구하고 있습니다. 그런 다음 이 요소를 제올라이트 효소 촉매가 생산한 포름알데히드와 혼합하여 요소-포름알데히드를 생산할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241204114309.htm