새로운 몰리브덴 금속을 사용하여 올레산과 팔미트산으로부터 효율적인 바이오디젤 생산

Jan 26, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10338(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 몰리브덴과 피페리딘-4-카르복실산을 기반으로 한 금속-유기 골격을 간단한 용매열 방법을 통해 합성하고 에스테르화 반응을 통해 올레산과 팔미트산으로부터 바이오디젤을 생산하는 효과적인 촉매로 사용했습니다. 제조된 촉매는 XRD, FTIR, TGA, DSC, BET, SEM, TEM, ICP-OES, X-ray 매핑 및 EDX 분석을 통해 특성화되었습니다. 생성된 Mo-MOF 촉매는 막대 모양의 형태, 56m2/g의 비표면적 및 최대 300°C의 열 안정성을 나타냅니다. 고체촉매는 올레산과 팔미트산의 에스테르화에 대해 높은 활성을 나타냈다. 더욱이, 촉매는 활성의 큰 손실 없이 여러 번 간단하게 회수되고 효율적으로 재사용될 수 있으며, 얻은 결과는 금속-유기 골격이 적절하고 신속한 바이오디젤 생산에 사용될 수 있음을 보여줍니다.

환경오염의 증가와 화석연료에 의한 지구온난화로 인해 신재생에너지 기술 개발을 위한 많은 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 맥락에서 바이오디젤은 높은 옥탄가4와 낮은 점도5로 인해 입자상 물질1, CO22 및 온실가스 배출3을 줄일 수 있는 잠재력이 가장 큰 것으로 간주됩니다. 이는 일반적인 화석 연료6에 대한 유망하고 경제적으로 실현 가능한 대안입니다. 바이오디젤은 바이오매스 오일(식물성 기름, 동물성 지방 등)의 트리글리세리드를 메탄올과 에스테르 교환반응하여 생산할 수 있는 재생 에너지입니다7. 전통적인 바이오디젤 생산 방법은 염기나 황산, 수산화나트륨과 같은 산성 촉매가 있는 상태에서 균질한 조건을 활용합니다8. 이러한 균질 시스템은 반응기 부식, 촉매의 회수 및 재활용이 어렵고 환경 오염 등의 한계로 어려움을 겪습니다9,10. 이러한 맥락에서, 불균일 촉매는 재활용 가능10,11, 분리-정제 공정 용이성12, 높은 글리세롤 순도13 및 부식성 없음14과 같은 균일 촉매에 비해 더 많은 이점을 제공합니다. 현재까지 조정 가능한 구조 및 표면 기능을 갖춘 수많은 고체 산 및 염기 촉매가 제공되었으며 이들 중 다수는 바이오디젤 생산 수율에 대해 높은 촉매 활성을 보여줍니다. 이종 고체 염기 촉매는 일반적으로 더 온화한 반응 조건에서 산 촉매에 비해 더 높은 속도를 제공합니다. 그러나 비누화, 가수분해 등의 부반응으로 인해 FFA가 2wt% 이상인 오일에는 직접 사용할 수 없으며 촉매 활성과 에스테르 수율을 모두 감소시킵니다15. 따라서 상당량의 FFA와 물을 함유한 저품질 또는 비식용 식물성 기름을 다룰 때 고체산 촉매가 적용됩니다15. 몰리브덴 화합물은 Mo6+에서 금속 Mo(Mo0)16에 이르는 다양한 산화 상태로 고체 표면에 존재할 수 있는 금속의 능력 때문에 다용도 촉매로 인식되었습니다.

무수 몰리브덴산나트륨17, 벌크 MoO318, 알루미나20, 실리카, 실리카-알루미나 및 티타니아21,22에 지지된 실리카 MoO3/B-ZSM-519 몰리브덴과 탄소23은 여러 오일로부터 바이오디젤 생산을 위한 에스테르화 및 에스테르교환 촉매로 사용되었습니다. 폐유 포함. Gandía 등은 석유에서 바이오디젤을 생산하기 위한 벌크 및 Al2O3 지원 몰리브덴 산화물의 적용을 설명했습니다. 대조 실험에서는 벌크 MoO3가 에스테르 교환반응과 에스테르화 반응 모두에 대해 매우 활성적이지만 반응 매질에서 심각한 몰리브덴 침출이 발생하는 것으로 나타났습니다.

벌크 MoO3와 비교하여, 알루미나 지지 MoO3는 활성상을 더욱 효율적으로 활용하고 반응 매질에 의한 몰리브덴 침출에 대한 안정성을 향상시킵니다24. 본 연구에서는 에스테르화 반응을 통해 올레산과 팔미트산으로부터 바이오디젤을 생산하기 위한 고효율 분리형 촉매로서 새로운 MOF를 도입했습니다. 최근 몇 년 동안 금속-유기 프레임워크(MOF)는 제어 가능한 조성25, 넓은 표면적26,27, 열 안정성28, 유연성 및 손쉬운 준비29와 같은 중요한 특성으로 인해 점점 더 주목받고 있습니다. MOF는 확장된 조정 네트워크를 형성하기 위해 유기 링커로 연결된 SBU로 구성됩니다. MOF에 널리 사용되는 링커는 아미노산, 테레프탈산 및 폴리카르복실레이트 리간드와 같은 견고한 유기 킬레이트제입니다. 유기 리간드, 용매 유형, 입자 크기 및 금속 종류와 같은 많은 요인이 MOF의 활성에 영향을 미칩니다. 배위 폴리머로 알려진 MOF(금속-유기 프레임워크)는 촉매 작용30,31,32, 분리33,34, 가스 저장35, 이산화탄소 포집36과 같은 고급 응용 분야를 위해 많은 연구자에 의해 연구되고 있습니다. MOF는 주로 조정 가능한 나노 구조와 다공성 특성을 가지고 있습니다. 그러나 좋은 담체로서 MOF는 고유한 촉매 성능도 가지고 있습니다. 더욱이, MOF 기반 기능성 촉매 물질은 바이오디젤 생산 및 기타 관련 바이오정제소에서 큰 잠재력을 보여줍니다. 표 1에서는 바이오디젤 생산을 위한 MOF 기반 이작용성 촉매와 비교하기 위해 일반적인 이종 이작용성 촉매를 선택했습니다. 이러한 연구는 아미노 그룹(Brønsted 염기)을 갖는 MOF가 다른 이종 산-염기 촉매보다 바이오디젤 생산을 위한 높은 촉매 활성과 온화한 조건을 나타냄을 보여주었습니다(표 1).