Electrochemical conversion of butyric acid into alcohols and alkanes using Kolbe reaction

Abstract

국문요지

Kolbe 전기화학 전환 반응을 이용한 부티르산의 알코올과 알케인 전환 연구

환경 오염과 화석 원료의 고갈로 인해 재생에너지의 개발이 전세계적으로 중요한 사안으로 떠올랐다. 수력, 조력, 풍력 및 태양에너지와 같은 자연 에너지원은 지리적인 조건이 맞아야한다는 것과 생산된 에너지를 바로 사용하지 않는 한 에너지 저장장치가 필요하다는 한계점이 있다.

그러나 바이오매스 자원을 신재생 그린에너지로 사용하는 것은 자연에너지원의 한계점 없이 화석 원료 사용을 대체할 수 있다. 물론, 현재 기술로는 화석 원료 사용보다 효율이 낮다는 점 때문에 산업적으로 많이 이용되고 있지 않다. 그러므로 연구를 통해 전환 수율을 높이고 목표 물질에 대한 선택도를 높여야 한다.

에너지 및 자원 이용의 구조 변화 측면에서 바이오매스 자원의 이용은 필수불가결하다고 할 수 있다. 또한 바이오매스에는 카르복실산이 풍부하게 있는데 카르복실산의 효율적인 이용 방법이 필요한 상황이다. 하지만 기존의 열분해 공정에는 고온, 고압, 유해한 용제의 사용과 같은 조건들이 필요하고, 알데히드, 케톤, 페놀은 전극촉매수소화 반응이 진행되지만 카르복실산은 일반적인 전극촉매수소화 조건에서 반응이 진행되지 않는다.

전기화학적 방법을 이용한 물질 전환은 고온, 고압, 반응조건이 필요하지 않으며 유해한 용제 등을 사용하지 않고 상온, 상압 조건과, 수용액 상에서 진행된다. 또한 바이오연료의 고급화와 고부가가치 화합물 생성을 위해서는 바이오매스 유래 화합물의 탄소사슬 연장과 산소의 제거가 필요하다. 미생물 발효 생산물인 카르복실산의 전기화학적 Kolbe전환 반응은 카르복실산의 탈카르복실화를 통하여 반응성이 높은 라디칼을 생성하여 탄소사슬의 연장을 유도하고 이산화탄소가 빠지면서 산소를 제거한다.

본 논문에서는 바이오매스 유래 카복실산의 일종인 부티르산을 기질로 하여 전극 형태, 전해질 종류 및 농도, 기질로 사용한 부티르산의 농도, 용매 등의 변수 조건 최적화를 통하여Kolbe 전환 반응을 통해 알칸 및 알코올로의 전기화학적 전환에 대해 연구하였다.; ABSTRACT

Electrochemical conversion of butyric acid into alcohols and alkanes using Kolbe reaction

Song, Geon Young Dept. of Chemical Engineering Graduate School of Hanyang University

Due to environmental pollution and depletion of fossil resources, the development of renewable energy has emerged as an important issue worldwide. Natural energy sources such as hydropower, tidal power, wind power, and solar energy have limitations in that geographic requirements must be met, and that energy production is not constant and cannot be stored unless energy is used as it is produced.

However, the use of biomass resources as renewable green energy can replace the use of fossil resources without the limitations of natural energy sources. Of course, the current technology is not widely used industrially because of its lower efficiency than using fossil resources. This should increase the conversion yield and increase the selectivity for the target chemical compounds through research.

From the perspective of structural changes in energy and resource use, the use of biomass resources is indispensable. But there is a need for an efficient method of utilizing carboxylic acids rich in biomass. The existing pyrolysis process requires conditions such as high temperature, high pressure, and the use of harmful solvents, and in the electrocatalytic hydrogenation process, aldehydes, ketones, and phenols react well to electrocatalytic hydrogenation, but carboxylic acid reacts not very well under general electrocatalytic hydrogenation conditions. On the other hand, for material conversion using an electrochemical method, it is possible to convert materials through room temperature and pressure or aqueous solution without using high temperature, high pressure, or harmful solvents. In addition, chain elongation of carbon and hydrogen and removal of oxygen are required in order to upgrade the fuel and generate high value-added chemical compounds.

Therefore, this thesis uses butyric acid, a kind of biomass-derived carboxylic acid as a substrate, and uses the electrochemical method of alkanes and alcohols through the Kolbe reaction based on variables such as electrode type, electrolyte type and concentration, butyric acid concentration used as a substrate, and solvent.

Among Pt foil type and mesh type and sheet type electrode, the Pt sheet type showed the highest Kolbe product conversion. In the solvent variable condition, the methanol solvent had the higher Kolbe product conversion than water. And the higher the concentration of substrate, the higher the activity of the Kolbe product conversion. Besides, the higher the current efficiency, the higher the Kolbe product conversion. This paper highlights the difference of variable conditions to optimize the electrochemical conversion process.