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Aug 20, 2023

일산화탄소의 기계적으로 활성화된 촉매 수소화의 기본이 되는 기계화학적 효과

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2470(2023) 이 기사 인용

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이 연구에서 우리는 각각 볼 밀링과 단순 분말 교반을 거친 지지된 Co-Fe 촉매의 활성을 비교함으로써 일산화탄소의 수소화에서 작용하는 기계화학적 효과의 강도를 강조하고 측정합니다. 볼 밀링의 불연속적 특성을 고려하여 기계화학적 수소화가 훨씬 더 빠른 속도로 진행되고 개별 영향과의 연관성을 공개합니다. 실험적 증거에 따르면 우리가 관찰한 강화된 촉매 활성은 개별 영향에 관여하는 분말의 양에 영향을 미치는 국지적 프로세스에 기인할 수 있습니다.

작동하기 쉽고 간단해 보이는 볼 밀링(BM)을 통한 기계적 처리는 과립형 고체를 분쇄, 혼합 및 반응시키는 다양한 방법입니다1,2. 충격을 가하는 두 개의 밀링 도구 사이에 갇힌 분말 입자는 상대적으로 높은 변형률에서 동적 압축을 받게 되며 접촉점 전체에 퍼지는 이질적인 힘 체인을 경험하게 됩니다. 국부적인 기계적 응력이 항복 응력을 초과하면 입자가 변형됩니다1,2. 강렬한 전위 활동의 ​​영향으로 새로운 표면과 인터페이스가 생성되는 반면, 화학종은 강제 혼합 및 화학적 결합을 겪을 수 있습니다. 이러한 형태의 화학은 기계화학(mechanochemistry4)이라는 이름으로 불립니다.

지난 50년 동안 기계화학적 방법을 통해 산화물 분산 강화 초합금5, 비정질 금속5,6,7 및 나노결정질 재료7,8,9,10의 제조가 가능해졌습니다. 마찬가지로, 자체 전파 고온 반응11을 점화하고, 가스 흡수 및 탈착 과정을 촉진하고, 오염물질을 분해하고,14,15, 광물 침출성을 개선하고,16,17, 바이오매스 전환을 향상시키는 데 사용되었습니다. 최근에는 기계 가공을 통해 정밀 화학 물질 및 의약품20,21,22,23에 대한 효과적인 무용매 합성 경로를 열었습니다. 이로 인해 기계화학은 화학 생산을 더욱 지속 가능하게 만들 가능성이 있는 상위 10개 화학 혁신에 포함되었습니다24.

새로운 재료의 준비와 화학 공정의 활성화 및 강화에 대한 성공적인 적용으로 인해 BM은 일반적으로 기존 방법에 대한 유리한 대안으로 간주됩니다. 그럼에도 불구하고 비교는 주로 현상학적 기초를 바탕으로 이루어집니다. 일반적으로 주어진 화학 반응은 BM 조건 하에서 더 높은 수율 또는 심지어 완전한 전환에 도달하는 것으로 나타나는 반면, 고전적인 반응은 더 낮은 수율을 표시하거나 전혀 발생하지 않습니다. 이는 BM이 때로는 우월할 수 있음을 시사하지만, 그 역량에 대한 정량적 평가는 실질적으로 부족합니다.

실제로, 기계화학이 가장 친밀한 메커니즘을 밝혀내려는 과학자들의 시도를 거부한 것은 거의 50년입니다. 기계적 힘과 열역학적 추진력이 결합하여 평형과는 거리가 먼 새로운 화학을 발생시킨다는 명확한 증거가 있기 전에 대체 화학적 변환 경로와 예상치 못한 반응 생성물이 일반적으로 이해하기 어려운 기계화학적 효과를 불러일으키는 것으로 설명되었습니다. 이 주장은 되돌릴 수 없는 과정에 대한 Onsager 상호 관계에서 정당성을 찾는 반면, 기계화학적 효과는 기계적 힘에 의해 활성화된 화학의 배경에 남아 있어 이해하기 어렵기는 하지만 인지할 수 있습니다.

이번 연구에서는 이 문제를 정확하게 다루고 있습니다. 구체적으로, 우리는 실험적 증거를 설명하기 위해 자주 그리고 일반적으로 사용되는 기계화학적 효과의 강도를 평가합니다. 이를 위해 우리는 BM이 일산화탄소(CO)의 촉매 수소화에 어떻게 영향을 미치는지 조사했습니다.

세 가지 주요 특징이 우리의 선택을 정당화합니다. 첫째, 기존의 CO 수소화는 고체 촉매와 기체 종27,28,29을 포함하며, 그 기계화학적 대응은 동일한 공칭 압력 및 온도 조건에서 수행될 수 있으며 이는 의미 있는 비교를 위한 기본 요구 사항입니다. 둘째, CO와 수소(H2) 사이의 반응은 Fischer-Tropsch 합성과의 관련성 때문에 1920년대부터 조사되었으며 잘 특성화된 활성을 가진 촉매가 이용 가능합니다. 셋째, 우리는 과거 기계화학적 CO 수소화를 연구했는데, 이는 기계화학적 효과를 정량화하는 데 필요한 배경을 제공합니다.