프로필렌 전기산화의 획기적인 발전

2023년 5월 31일

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중국 과학기술대학교

중국 과학기술대학교(USTC) Geng Zhigang 교수가 이끄는 연구팀은 프로필렌을 1,2-프로필렌 글리콜로 전기산화하기 위해 동적으로 가역적인 상호 전환을 수행할 수 있는 분자 촉매를 설계했습니다. 이 연구는 미국화학학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재되었습니다.

1,2-프로필렌 글리콜(PG)은 중요한 화학 물질입니다. PG의 전통적인 생산에는 프로필렌을 산화프로필렌으로 산화시키는 과정과 산화프로필렌을 PG로 가수분해하는 과정이 포함됩니다. 이 공정에서는 오염도가 높은 염소가 산화제로 사용되며, 프로필렌옥사이드의 가수분해에는 고온이나 산성 조건이 필요하다.

이에 비해 프로필렌을 1,2-프로판디올로 전환하는 1단계 전기산화는 생산 공정을 단순화할 뿐만 아니라 물을 산소원으로 사용하여 염소 가스의 사용을 피하여 오염과 에너지 비용을 줄입니다.

프로필렌을 PG로 전기산화하는 과정에서 *OH의 생성과 *OH와 프로필렌의 결합이 두 가지 핵심 단계입니다. *OH에 대한 촉매의 강한 흡착은 H2O가 *OH로 해리되는 것을 선호하는 반면, 약한 흡착은 *OH와 프로필렌의 결합을 선호합니다. 이러한 공정은 촉매에 대한 *OH 결합 에너지의 스케일링 관계를 초래하여 프로필렌 전기산화에 대한 촉매 성능을 심각하게 제한합니다.

연구진은 동적으로 가역적인 상호 변환 구조를 갖춘 Ag 피라졸 분자 촉매(AgPz)를 설계했습니다. 피롤성 NH와 *OH 사이의 수소 결합으로 인해 피롤성 NH 구조를 가진 AgPz는 *OH에 강한 흡착력을 갖고 있어 물의 해리를 촉진하여 *OH를 형성합니다. 피롤릭 NH 구조는 탈양성자화(deprotonation)되기 쉬우며, 이는 H 공석을 형성하고 수소 결합의 손실을 초래합니다. H 공극 구조를 갖는 AgPz는 *OH에 대한 흡착이 약하여 *OH와 프로필렌의 결합을 가속화합니다.

그 후, H 공석은 수소와 재결합하여 AgPz를 피롤성 NH 구조로 개질합니다. 동적 상호 변환은 AgPz에 대한 *OH의 결합 에너지를 변경하여 스케일링 관계를 깨고 프로필렌의 전기 산화를 효과적으로 증가시킵니다.

성능 평가에 따르면 Ag/AgCl 전극 대비 2.0V의 작동 전위에서 AgPz를 촉매로 사용하는 PG의 수율은 288.9mmol gcat-1h-1에 도달했으며 이는 이전 최고 속도보다 10배 이상 높은 수치입니다. .

추가 정보: Jingwen Ke 등, 프로필렌을 프로필렌 글리콜로 효율적으로 전기산화하기 위한 분자 촉매의 동적으로 가역적 상호 변환, 미국 화학 학회지(2023). DOI: 10.1021/jacs.3c00660

저널 정보:미국 화학 학회지

중국과학기술대학교 제공