친환경 합성화학의 새로운 장 열다! 전이금속 없이 유기실란 합성 성공 - KIST, 친환경적이고 경제적인 유기실란 합성법 개발 금속 촉매 없는 혁신적인 합성법 개발로 화학 산업의 지속가능성 높여 유기실란은 규소와 탄소가 결합돼 이루어진 실리콘 화합물로, 의약품 개발, 신소재 제조, 반도체 재료 등에 핵심 원료로 폭넓게 활용된다. 그러나 유기실란 합성 시 실란의 반응성을 높이기 위해 전이금속을 사용하거나 공기와 수분에서 불안정한 중간체 합성이 필수적이었다. 이러한 기존 방식은 합성 후 금속 촉매 폐기물이 발생해 환경적, 경제적 부담이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 화학생명융합연구센터 한서정 박사 연구팀은 고온, 고압이 아닌 온화한 조건에서 전이금속 없이도 유기실란 화합물을 합성하는 반응을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 기존과 달리 고가의 리튬, 니켈, 팔라듐과 같은 금속 촉매를 전혀 사용하지 않아 환경 보호와 생산비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 혁신적인 합성법을 제시했다. 연구팀은 유기실란을 합성하기 위해 분자 구조 자체를 활용해 실란의 반응성을 높이는 방법을 개발했다. 이를 위해 아라인, 포스파이트, 플루오로실란의 삼성분 짝지음 반응을 활용함으로써 금속 촉매 없이 분자 구조만으로 실란을 활성화하는 데 성공했다. 특히, 플루오로실란의 실리콘과 플루오린 결합은 강력한 결합 세기 때문에 반응성이 낮아 이를 활성화하는 게 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 분자 내에 포스포늄 루이스산을 도입해 플루오라이드 이온과 상호 작용하게 함으로써 강한 실리콘과 플루오린 결합을 활성화해 실란의 반응성을 높였다. 연구팀이 개발한 합성법은 실험실 수준을 넘어 산업적 활용이 가능한 그램 스케일(gram-scale)에서도 유기실란 화합물을 안정적으로 합성하는 것으로 확인됐다. 또한, 이 방법으로 합성한 유기실란을 용도에 맞게 물리적, 화학적 성질을 개선하는 데 필요한 산화반응 및 치환반응에서도 안정적인 성능을 보였다. 이번 연구는 친환경성과 경제성을 동시에 충족하는 합성 기술을 통해 화학 산업의 지속가능성을 한 단계 끌어올릴 것으로 기대된다. 특히, 폐수와 폐기물 처리 과정에서 환경 오염의 주요 원인으로 지목되는 금속 촉매를 사용하지 않는 장점이 있다. 또한, 매장량이 한정적이어서 가격 변동성이 큰 금속 자원에 대한 의존도를 낮출 수 있어 환경 보호와 생산 비용 절감이라는 두 가지 과제를 동시에 해결했다는 점에서 의의가 있다. KIST 한서정 박사는 "이번 합성법은 고가의 금속 촉매를 대체함으로써 제조 비용을 크게 절감하고, 대량 생산에도 적합한 기술로 검증돼 산업적 활용 가능성을 입증했다"라며, "이 기술은 의약품, 농업, 신소재 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며 지속가능한 화학 산업으로의 전환을 앞당길 중요한 발판이 될 것"이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 국가신약개발사업 (RS-2022-DD123827), 창의형 융합연구사업 (CAP23011-100) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Angewandte Chemie International Edition」 (IF 16.1, JCR 분야 5.8%)에 게재됐으며 Back Cover 이미지로 선정됐다. * 논문명 : Cleavage of the Robust Silicon–Fluorine σ-Bond Allows Silicon–Carbon Bond Formation: Synthetic Strategies Toward Ortho-Silyl Aryl Phosphonates [그림 1] 삼성분 짝지음 반응 도식 삼성분 짝지음 반응의 진행 방식을 그림으로 표현함 [그림 2] 오쏘-실릴아릴 포스포네이트의 X-ray 구조 합성한 오쏘-실리아릴 포스포네이트와 그 X-ray 구조 [그림 3] Angewandte Chemie International Edition Back Cover 이미지 Angewandte Chemie International Edition의 최근 호 Back Cover 표지로 선정된 이미지

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친환경 합성화학의 새로운 장 열다! 전이금속 없이 유기실란 합성 성공 - KIST, 친환경적이고 경제적인 유기실란 합성법 개발 금속 촉매 없는 혁신적인 합성법 개발로 화학 산업의 지속가능성 높여 유기실란은 규소와 탄소가 결합돼 이루어진 실리콘 화합물로, 의약품 개발, 신소재 제조, 반도체 재료 등에 핵심 원료로 폭넓게 활용된다. 그러나 유기실란 합성 시 실란의 반응성을 높이기 위해 전이금속을 사용하거나 공기와 수분에서 불안정한 중간체 합성이 필수적이었다. 이러한 기존 방식은 합성 후 금속 촉매 폐기물이 발생해 환경적, 경제적 부담이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 화학생명융합연구센터 한서정 박사 연구팀은 고온, 고압이 아닌 온화한 조건에서 전이금속 없이도 유기실란 화합물을 합성하는 반응을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 기존과 달리 고가의 리튬, 니켈, 팔라듐과 같은 금속 촉매를 전혀 사용하지 않아 환경 보호와 생산비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 혁신적인 합성법을 제시했다. 연구팀은 유기실란을 합성하기 위해 분자 구조 자체를 활용해 실란의 반응성을 높이는 방법을 개발했다. 이를 위해 아라인, 포스파이트, 플루오로실란의 삼성분 짝지음 반응을 활용함으로써 금속 촉매 없이 분자 구조만으로 실란을 활성화하는 데 성공했다. 특히, 플루오로실란의 실리콘과 플루오린 결합은 강력한 결합 세기 때문에 반응성이 낮아 이를 활성화하는 게 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 분자 내에 포스포늄 루이스산을 도입해 플루오라이드 이온과 상호 작용하게 함으로써 강한 실리콘과 플루오린 결합을 활성화해 실란의 반응성을 높였다. 연구팀이 개발한 합성법은 실험실 수준을 넘어 산업적 활용이 가능한 그램 스케일(gram-scale)에서도 유기실란 화합물을 안정적으로 합성하는 것으로 확인됐다. 또한, 이 방법으로 합성한 유기실란을 용도에 맞게 물리적, 화학적 성질을 개선하는 데 필요한 산화반응 및 치환반응에서도 안정적인 성능을 보였다. 이번 연구는 친환경성과 경제성을 동시에 충족하는 합성 기술을 통해 화학 산업의 지속가능성을 한 단계 끌어올릴 것으로 기대된다. 특히, 폐수와 폐기물 처리 과정에서 환경 오염의 주요 원인으로 지목되는 금속 촉매를 사용하지 않는 장점이 있다. 또한, 매장량이 한정적이어서 가격 변동성이 큰 금속 자원에 대한 의존도를 낮출 수 있어 환경 보호와 생산 비용 절감이라는 두 가지 과제를 동시에 해결했다는 점에서 의의가 있다. KIST 한서정 박사는 "이번 합성법은 고가의 금속 촉매를 대체함으로써 제조 비용을 크게 절감하고, 대량 생산에도 적합한 기술로 검증돼 산업적 활용 가능성을 입증했다"라며, "이 기술은 의약품, 농업, 신소재 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며 지속가능한 화학 산업으로의 전환을 앞당길 중요한 발판이 될 것"이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 국가신약개발사업 (RS-2022-DD123827), 창의형 융합연구사업 (CAP23011-100) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Angewandte Chemie International Edition」 (IF 16.1, JCR 분야 5.8%)에 게재됐으며 Back Cover 이미지로 선정됐다. * 논문명 : Cleavage of the Robust Silicon–Fluorine σ-Bond Allows Silicon–Carbon Bond Formation: Synthetic Strategies Toward Ortho-Silyl Aryl Phosphonates [그림 1] 삼성분 짝지음 반응 도식 삼성분 짝지음 반응의 진행 방식을 그림으로 표현함 [그림 2] 오쏘-실릴아릴 포스포네이트의 X-ray 구조 합성한 오쏘-실리아릴 포스포네이트와 그 X-ray 구조 [그림 3] Angewandte Chemie International Edition Back Cover 이미지 Angewandte Chemie International Edition의 최근 호 Back Cover 표지로 선정된 이미지

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- 온실가스 저감 및 유용한 화합물 생산하는 고효율·고내구성의 촉매 제조기술 - 양산화 용이하여 신재생 전력에너지 활용한 이산화탄소 전환기술로 응용 기대 전 세계적으로 기후변화 문제의 해결 방안으로 이산화탄소(CO2)등 온실가스를 저감하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 전력에너지를 사용한 전기화학적 방법으로 이산화탄소를 저감하고, 동시에 일산화탄소 및 탄화수소 같은 산업에 유용한 화합물로 전환하는 친환경적인 기술이 크게 주목받고 있다. 최근 국내 연구진이 기후변화 문제를 해결할 수 있고, 유용한 화합물을 생산하는 친환경 이산화탄소 전환의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 장종현, 박현서 박사팀은 특정 고분자로 코팅된 금 나노입자를 합성한 촉매 제조 기술을 개발하여 이산화탄소 전환 반응의 활성과 안정성이 크게 증대되는 것을 밝혔다. 이 기술은 고성능, 고내구성 촉매 소재를 친환경적인 방법으로 대량생산이 가능하여, 향후 온실 가스 저감 및 이산화탄소 전환 기술의 실용화 연계에 기여할 것으로 전망된다. 최근 전 세계에서 일어나는 예측 불가능한 기후 변화는 온실가스 증가 및 지구 온난화에 따른 대기 불안정 현상 때문인 것으로 여겨진다. 이산화탄소 농도는 산업화 이전 시대와 비교하여 약 40%(2017년. 405ppm)정도 증가한 것으로 보고되고 있다. 이로 인해 지구의 대기 평균 온도 또한 약 1？c 가량 증가하였으며, 해수면도 약 88mm 정도 증가한 것으로 알려져 있다. 과학계 전문가들에 따르면, 지구 온난화로 인한 기후 재앙에 대비하기 위해서는 대기 온도 증가를 3？c 이하로 제한하고, 공기 중 이산화탄소 양은 1조 7천억 톤 이상을 저감해야 한다고 전망하고 있다. 이산화탄소를 저감하는 기술의 하나로 태양광 및 풍력발전 같은 신재생 청정에너지를 이용한 이산화탄소 전기 분해(환원)법이 주목 받고 있다. 이 방법은 온실가스를 저감하고, 동시에 일산화탄소와 탄화수소와 같은 유용한 화학물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이때, 반응 촉매로는 금, 은 등의 나노입자가 사용되는데, 상업적 경쟁력을 갖기 위해서는 소재 및 제조 공정 측면에서 비용 절감과 성능 증대를 동시에 구현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. KIST 연구진은 촉매로 사용되는 이산화탄소 환원용 금 입자를 제조할 때, 폴리에틸렌 고분자를 금 입자 표면에 코팅하여 기존 금 입자에 비해 활성과 선택성이 약 30%, 고분자 코팅에 의한 촉매의 내구성도 약 20% 이상 증가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 또한 금 입자 촉매 표면의 고분자 코팅은 촉매 보호막 역할을 하는 동시에 이산화탄소를 잘 흡착시키는 역할을 하여 금 입자의 반응성과 내구성을 향상시키는 것으로 나타났다. 연구진은 고분자 용액을 이용한 액체 스퍼터링 공정*을 개발, 고분자 코팅된 금 입자 생산을 용이하게 하여 향후 상업적인 촉매 제조 및 경제적인 온실가스 저감 기술을 위한 토대가 될 것으로 기대하고 있다. *액체 스퍼터링 공정 : 증착법의 일종, 아르곤 등의 가스 입자를 강한 전기장으로 이온화시킨 후 가속시켜 금속판에 충돌시키고, 이때 충돌로 인해 금속판에서 탈출한 금속 원자를 액체 용매에 모아 작은 입자로 만드는 방법. KIST 장종현 박사는 “본 연구로 개발된 촉매 기술은 활성과 내구성이 우수하며, 양산성이 높은 환경 친화적 기술이다. 향후 이산화탄소 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 절감에 기여할 것으로 전망된다. 또한 이를 통해 국가적 이슈인 온실가스 저감 및 기후변화 대응 기반 기술 구축에 기여할 것으로 기대한다.” 고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터(KCRC)의 KOREA CCS(Carbon Capture & Storage) 2020 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 분야 상위 1.02%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Enhanced CO2 reduction activity of polyethyleneglycol-modified Au nanoparticles prepared via liquid medium sputtering - (제1저자) 한국과학기술연구원 정민욱 박사(Post-Doc.), 차인영 박사 (Post-Doc.) - (교신저자) 한국과학기술연구원 장종현 책임연구원, 박현서 선임연구원 <그림설명> <그림 1> (왼쪽)고분자 코팅된 금입자를 이용한 효율적 전기화학 이산화탄소 환원 반응 (오른쪽)기존 금입자를 이용한 비효율적 전기화학 이산화탄소 환원 반응을 비교한 개념도 <그림 2> 개발된 고분자 코팅 금입자의 전자현미경 사진(a,b) 기존 금입자 전자현미경 사진 (c,d) <그림 3> - 개발된 고분자 코팅 금입자(빨간색) - 기존 금입자(검은색)의 이산화탄소 환원 선택도 <그림 4> - 개발된 고분자 코팅 금입자(빨간색) - 기존 금입자(파란색)의 이산화탄소환원 운전 안정성 *시간이 지나도 성능이 유지됨을 알 수 있다.