| 초록 |
1.분석자 서문 다공성 물질은 학계나 산업계에서 촉매 혹은 촉매 지지체로 널리 쓰이고 있다. 본 분석에서는 대표적인 다공성 물질인 제올라이트, 규칙적 중간세공 실리카(Ordered mesoporous silica, OMS)와 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)와 같은 다공성 물질을 이용한 해당 분야의 촉매 반응 연구 현황을 소개하고, 이러한 재료들이 가지고 있는 특성과 학계나 산업계에서 어떠한 불균일 촉매반응을 연구하고 있는지 요약하였다.1 다공성 물질의 일반적인 4가지 유기반응(산, 염기, 산화, 환원)에 어떻게 사용되는지 비교하였다. 이 물질들을 불균일 촉매로 사용함에 따른 장/단점을 요약하였다. 대표적 다공성 물질인 세 가지 재료의 특성과 촉매 특성에 관한 다양한 연구를 폭넓게 소개함에 따라 관련 분야의 종사자들에게 많은 도움이 될 것으로 생각한다. 2. 목차 1. 서론 2. 제올라이트, OMS와 MOFs의 구조와 촉매적 특성의 차이 2.1. 제올라이트, OMS와 MOFs의 구조적 관계 2.2. 불균일 촉매로써의 제올라이트, OMS와 MOFs 3. 유기반응에서의 제올라이트, OMS와 MOFs의 응용 3.1. 산 촉매 반응 3.2. 염기촉매 반응 3.3. 산화 반응 (Oxidation Reactions) 3.4. 수소화반응 4. 분석자 결론 본 총설 논문에서는 제올라이트, OMS, MOFs를 이용한 기체상/액체상의 다양한 불균일계 촉매작용에 대하여 서술하였다. 현재까지도 오일 정제, 유동접촉분해, 소중합 공정, 수소화 분해 등의 석유화학 산업에서 제올라이트를 이용한 공정을 개발하여 사용하고 있다. 그 이유는 작은세공으로 인한 형상 선택성, 다양한 화학적 구성과 우월한 열적, 화학적 안정성에 바탕을 두기 때문이다. 또한, 제올라이트는 coke등에 의해 비활성이 되더라도 연소에 의해 쉽게 활성을 복원할 수 있다. 이러한 면에서, OMS와 MOFs는 기체상의 가혹한 실험 조건에서 제올라이트와 경쟁이 되지 않는 결과를 보여주고 있다. 반면, OMS와 MOFs는 제올라이트에 비교해 상대적으로 프리델-크래프트 아실화반응, 이산화탄소의 고리첨가 반응, 에폭사이드의 고리 열림 반응, Knoevenagel축합반응과 같은 액상 실험 조건에서는 상호 보완이 가능한 것으로 보인다. 특히 약산성을 요구하는 프리델-크래프트 아실화반응에서는 OMS가, 그리고 이산화탄소의 고리첨가 반응에서는 MOFs가 좋은 반응 활성을 보이는 것으로 나타났다. Knoevenagel축합반응과 같은 활성점의 조절에 의한 반응은 MOFs가 제올라이트보다 우월한 것으로 보고가 되었다. 제올라이트의 경우 석유화학산업에서 범용적으로 사용이 되고 있지만 높은 선택도와 촉매 수명을 향상시키는 연구도 요구되고 있다. 또한, 제올라이트를 이용한 염기촉매공정에서는 KOH나 NaOH와 같은 저렴한 촉매와의 차별성이 요구된다. 원유는 크기가 크므로 커다란 세공을 가지며 낮은 합성 단가를 갖는 계층적 세공 제올라이트가 이상적이다. 산화반응에서는 제올라이트 구조 내 담지된 금속의 침출이 문제 되고 있다. 그러므로, 활성 금속의 침출과 반응 전/후에도 결정 구조와 표면적의 차이가 없고 안정한 제올라이트의 발견이 필요하다. OMS와 MOFs는 상대적으로 열적 화학적 안정성에 제한이 있는 단점을 가지고 있고 최근에도 보완이 되고 있다. 하지만, OMS와 MOFs는 상대적으로 비대칭 촉매에 유망한 것으로 보인다. 카이랄 OMS는 거울상 이성질 착물을 큰 세공 내에 고정함으로 얻을 수 있다. 또한, 카이랄 MOFs는 구성요소 중 유기 분자에 카이랄기를 부여함으로서 쉽게 합성이 가능하다. 카이랄 반응은 온화한 반응조건을 가지므로 안정성에 관한 문제는 피해갈 수 있다. MOFs는 노드, 연결기에 작용기를 부여할 수 있어서 광화학이나 연속반응의 촉매로 유망한 것으로 보인다. 본 분석물은 기존의 학계, 산업계에서 촉매로서 제올라이트, OMS와 MOFs의 발전 방향에 대하여 서술하였다. 관련 연구 동향 및 결과를 전체적으로 다루고 있어서 해당 분야를 연구하는 연구자들에게 도움이 되는 논문이라 생각한다. 이들이 갖는 각각의 기능들에 의해 경쟁적이 아닌 상호 보완적으로 사용이 될 때 효과가 극대화될 것으로 기대하면서 분석문을 마무리하고자 한다. References 1.Liang, J., Liang, Z., Zou, R. Zhao, Y. Heterogeneous Catalysis in Zeolites, Mesoporous Silica, and Metal ndash;Organic Frameworks. Advanced Materials 29, 1701139 (2017). 2.Cˇejka, J.r., Wichterlova´, B. Bedna´rˇova´, S.a. Alkylation of toluene with ethene over H-ZSM-5 zeolites. Applied Catalysis A: General 79, 215-226 (1991). 3.Kresge, C.T., Leonowicz, M.E., Roth, W.J., Vartuli, J.C. Beck, J.S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature 359, 710 (1992). 4.Polarz, S., Smarsly, B., GOltner, C. Antonietti, M. The Interplay of Colloidal Organization and OxoCluster Chemistry: Polyoxometalate ndash;Silica Hybrids mdash;Materials with a Nanochemical Function. Advanced Materials 12, 1503-1507 (2000). 5.Sun, J. et al. The ITQ-37 mesoporous chiral zeolite. Nature 458, 1154 (2009). 6.Climent, M.J., Corma, A. Iborra, S. Heterogeneous Catalysts for the One-Pot Synthesis of Chemicals and Fine Chemicals. Chemical Reviews 111, 1072-1133 (2011). 7.Risch, M. Wolf, E.E. Effect of the preparation of a mesoporous sulfated zirconia catalyst in n-butane isomerization activity. Applied Catalysis A: General 206, 283-293 (2001). 8.Corma, A., Grande, M.S., Gonzalez-Alfaro, V. Orchilles, A.V. Cracking Activity and Hydrothermal Stability of MCM-41 and Its Comparison with Amorphous Silica-Alumina and a USY Zeolite. Journal of Catalysis 159, 375-382 (1996). 9.Zhang, X., LlabrEs i Xamena, F.X. Corma, A. Gold(III) ndash; metal organic framework bridges the gap between homogeneous and heterogeneous gold catalysts. Journal of Catalysis 265, 155-160 (2009). 10.Sartori, G. Maggi, R. Use of Solid Catalysts in Friedel minus;Crafts Acylation Reactions. Chemical Reviews 106, 1077-1104 (2006). ※ 이 자료의 분석은 포항공과대학교의 정관영님께서 수고해주셨습니다. |
