WO2018030698A1 - 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법 - Google Patents

전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method of converting aldose to a ketone using an electrochemical catalysis.
  • Aldose (aldose, C n (H 2 O) n ) is a monosaccharide (simple sugar) containing one group of aldehydes in one molecule. Glycolaldehyde, with only two carbon atoms, is the simplest form of all aldose.
  • the present inventors are studying a method of selectively transforming low value-added aldose derived from biomass into a high value-added ketone compound in a single reactor through electrochemical catalysis. , Aldose is reduced by electrochemical catalysis to produce an alcohol intermediate, and the resulting alcohol intermediate is oxidized by electrochemical catalysis to produce a ketone compound.
  • the conversion method was developed and the present invention was completed.
  • An object of the present invention is to provide a method for selectively transforming low value aldose derived from biomass into high value ketone compound in chemical industry through electrochemical catalysis in a single reactor. .
  • It provides an electrochemical conversion method of aldose to the ketone compound comprising the step of oxidizing the alcohol intermediate under the catalyst by electrochemical catalysis to produce a ketone compound (step 2).
  • a reduction reaction unit including a cathode and producing an alcohol intermediate through a reduction reaction by an electrochemical catalysis of an aldose
  • an electrochemical reaction apparatus comprising an anode, an oxidation reaction unit for producing a ketone compound through the oxidation reaction by the electrochemical catalysis of the alcohol intermediate.
  • the electrochemical conversion of aldose to a ketone compound according to the present invention is a high value-added ketone with a fast reaction rate and high selectivity using a catalytic reaction of low value aldose derived from biomass in a single reactor. Can be converted to a compound. In addition, as the oxidation reaction and the reduction reaction proceed simultaneously in a single reactor, overvoltage for the reaction can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an electrochemical reactor according to the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the electrochemical reactor of Example 1 according to the present invention.
  • Example 3 is a graph showing the cell voltage generated during the reaction of Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention.
  • the present invention is a.
  • It provides an electrochemical conversion method of aldose to the ketone compound comprising the step of oxidizing the alcohol intermediate under the catalyst by electrochemical catalysis to produce a ketone compound (step 2).
  • step 1 is a step of reducing aldose to an electrochemical catalysis under a catalyst to generate an alcohol intermediate.
  • Step 1 is to reduce the aldose through an electrochemical catalysis to form an alcohol intermediate.
  • the alcohol intermediate may be a compound produced by reducing an aldehyde group (aldehyde group, -CHO) of an aldose to a hydroxyl group (-OH) as an intermediate product generated through a reduction reaction of aldose. .
  • the aldose of step 1 may be trisaccharide, tetrasaccharide, pentose, hexasaccharide and saccharide, and the like, specifically, glyceraldehyde, erythrose, threose, ribose, and ribose. , Arabinose, xylose, xylose, lyxose, allose, altrose, glucose, mannose, gulose, gulose, Idose, talose, galactose, and the like.
  • the catalyst of step 1 may use a transition metal or a transition metal, and the like, and specific examples thereof may include copper, nickel, zinc, palladium, ruthenium, rhodium, silver, cadmium, platinum, gold, tin, and antimony.
  • metal catalysts generally used in known electrochemical catalysis may be used.
  • step 1 may be performed in an acid, neutral, alkaline solution as an electrolyte, and specific examples thereof may include sulfuric acid, sodium sulfate, sodium hydroxide, and the like.
  • the alcohol intermediate produced in step 1 may be a polyol, and specific examples thereof include glycerol, erythritol, erythritol, threitol, arabitol, xylitol, and ribi. Ribitol, mannitol, sorbitol, galactitol, fucitol, iditol, inositol, volemitol, isomalt ), Maltitol, maltitol, lactitol, maltotriitol, maltotetraititol, polyglycitol, and the like.
  • step 2 is a step of oxidizing the alcohol intermediate by electrochemical catalysis under a catalyst to generate a ketone compound.
  • step 2 the alcohol intermediate produced in step 1 is oxidized by electrochemical catalysis under a catalyst to produce a final ketone compound.
  • the ketone compound may be a compound in which an alcohol intermediate is formed through a reduction reaction of aldose as in step 1, and a ketone group is formed by an oxidation reaction of the alcohol intermediate.
  • the ketone compound produced in step 2 is dihydroxyacetone, erythrulose, ribulose, xylulose, fructose, psicose, psicose. , Sorbose, tagatose, sedoheptulose, D-manno-octulose, D-glycero-D-galacto-nonulose (D -glycero-D-galacto-nonulose).
  • a transition metal or a transition metal may be used, and specific examples thereof may include bismuth, platinum, palladium, tin, and antimony, and a carbon-supported platinum catalyst modified with bismuth or antimony (BiPt / C). Or SbPt / C), but the catalyst is not limited thereto.
  • step 2 may be performed in an acid solution as an electrolyte, and sulfuric acid may be used as a specific example.
  • step 1 and step 2 is preferably carried out continuously or simultaneously.
  • the electrochemical catalysis of steps 1 and 2 is a reaction performed in a single reactor rather than in a separate reactor, and finally the aldose is converted into a ketone compound.
  • biomass-derived low value aldose (Aldose) can be converted into a high value-added ketone compound with fast reaction rate and high selectivity using a catalytic reaction in a single reactor.
  • a fructose or sorbose be produced from a high-value ketone compound, but also sorbitol at the cathode. Without this, it can operate at a voltage that is significantly lower than the overvoltage caused by water oxidation.
  • a reduction reaction unit including a cathode and producing an alcohol intermediate through a reduction reaction by an electrochemical catalysis of an aldose
  • an electrochemical reaction apparatus comprising an anode, an oxidation reaction unit for producing a ketone compound through the oxidation reaction by the electrochemical catalysis of the alcohol intermediate.
  • Electrochemical reaction apparatus 100 includes a cathode (cathode 11), the reduction reaction unit 10 to produce an alcohol intermediate through a reduction reaction by the electrochemical catalysis of aldose (aldose); And an oxidation reaction unit 20 including an anode 21 and generating a ketone compound through an oxidation reaction by an electrochemical catalysis of an alcohol intermediate.
  • a cation exchange membrane 30 for separating the reduction reaction unit 10 and the oxidation reaction unit 20.
  • the electrochemical reactor 100 may be a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the electrochemical reactor 100 can convert low-value aldoses derived from biomass into high-value ketone compounds in the chemical industry in a single reactor through electrochemical catalysis. Device.
  • the reduction reaction unit 10 includes a cathode (cathode) 11, the alcohol intermediate through the reduction reaction by the electrochemical catalysis of aldose (aldose) Is generated.
  • the reduction reaction unit 10 includes an anode 11 in the electrochemical reaction apparatus 100, and an alcohol intermediate is formed through electrochemical catalysis under the catalyst of aldose as a portion where the reduction reaction is performed.
  • the aldose may be trisaccharide, tetrasaccharide, pentose, hexasaccharide, and saccharide sugar, and the like, specifically, glyceraldehyde, erythrose, threose, ribose, arabino Arabose, xylose, lyxose, allose, altrose, glucose, mannose, gulose, and idos idose, talose, galactose and the like.
  • the alcohol intermediate may be a polyol, and specific examples thereof include glycerol, erythritol, threitol, arabitol, xylitol, ribitol, and mannitol. (mannitol), sorbitol, galactitol, fucitol, iditol, inositol, volemitol, isomalt, maltitol, Lactitol, maltotriitol, maltotetraitol, polyglycitol, and the like.
  • the anode 11 may be an electrode including a transition metal or a transition metal, and as a specific example, metals such as copper, nickel, zinc, palladium, ruthenium, rhodium, silver, cadmium, platinum, gold, tin, and antimony
  • An electrode including the electrode may be used, but a material used as an anode of a generally known electrochemical catalysis may be used.
  • the oxidation reaction unit 20 includes a cathode (anode, 21), the ketone compound is produced through the oxidation reaction by the electrochemical catalysis of the alcohol intermediate.
  • the oxidation reaction unit 20 includes a cathode 21 in the electrochemical reactor 100, and a high value-added ketone compound is produced through electrochemical catalysis under a catalyst of an alcohol intermediate as an oxidation reaction. .
  • the ketone compounds are dihydroxyacetone, erythrulose, ribulose, xylulose, fructose, psicose, sorbose, and sorbose. ), Tagatose, sedoheptulose, D-manno-octulose, D-glycero-D-galacto-nonulose galacto-nonulose).
  • the cathode 21 may be an electrode including a transition metal or a transition metal, and as an example, an electrode including a metal such as bismuth, platinum, palladium, tin, and antimony may be used.
  • a metal such as bismuth, platinum, palladium, tin, and antimony
  • the material used as the cathodic cathode may be used.
  • bismuth modified carbon supported platinum catalyst (BiPt / C) may be used, but the catalyst is not limited thereto.
  • an anode and a cathode of an H-type cell were separated by Nafion 117, a cation exchange membrane.
  • a copper electrode was used as the anode, and 0.1 M glucose was added to 0.5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as an electrolyte to prepare a solution.
  • a carbon supported platinum catalyst (BiPt / C) modified with bismuth (Bismuth) was used as an electrode.
  • As an electrolytic solution a solution in which 0.1 M sorbitol was added to a solution of 0.5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was prepared, and an electrochemical reaction was performed.
  • an anode and a cathode of an H-type cell were separated by Nafion 117, a cation exchange membrane.
  • a copper electrode was used as the anode, and 0.1 M glucose was added to 0.5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as an electrolyte to prepare a solution.
  • the negative electrode was a bimetallic platinum-supported platinum catalyst (BiPt / C) as an electrode, but the electrochemical reaction was performed by using a solution of 0.5 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) without sorbitol as an electrolyte. The reaction was carried out.
  • sorbitol is injected into anode or reduction part of cell for oxidation reaction, which is the opposite reaction. Comparing the case (Example 1) and the case without sorbitol (Comparative Example 1), as shown in Figure 3, it can be observed that the voltage of the cell of about 800 mV decreases at a current of 1 mA / cm 2 At 2 mA / cm 2 , the voltage of the cell of about 600 mV can be reduced.
  • glucose is reduced at the cathode to generate sorbitol, and at the same time, sorbitol is selectively oxidized at the anode to form fructose and sorbose, which are isomers of glucose. It was found that the reaction resulting from Sorbose can be operated at low cell voltages.
  • biomass-derived low value aldose (Aldose) can be selectively converted into a high value-added ketone compound in the chemical industry in a single reactor. It can be seen that the overvoltage for the reaction can be reduced.

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Abstract

본 발명은 알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및 상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 제공한다. 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법은 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 단일 반응기에서 촉매반응을 이용하여 빠른 반응속도와 높은 선택성으로 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 전환할 수 있다. 또한, 단일 반응기에서 산화반응과 환원반응을 동시에 진행함에 따라 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있다.

Description

전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법
본 발명은 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법에 관한 것이다.
알도오스(aldose, Cn(H2O)n)는 하나의 분자에 하나의 알데하이드 군을 포함하는 단당류(단순한 설탕)이다. 오직 두 개의 탄소 원자가 있는 글리콜알데하이드가 모든 알도스 가운데 가장 단순한 형태를 지녔다.
자연계에 풍부한 자원인 바이오매스 유래 알도오스를 고부가가치의 키톤으로 선택적으로 전환하는 방법은 제한적이다. 예를 들어, 셀룰로오스에서 유래한 글루코스(Glucose)를 고부가가치의 프럭토스(Fructose)로 전환하는 반응은 자일로스 아이소머라아제(Xylose Isomerase)라는 효소에 의해서만 선택적인 반응을 보이고 있으나, 관련 효소반응은 반응의 예민성, 적은 생산량, 그리고 느린 반응속도로 인해 새로운 접근방법의 필요성이 제기되고 있다.
이에, 본 발명자들은 전기화학 촉매반응을 통하여 바이오매스에서 유래한 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 단일 반응기에서 선택적으로 변형하는 방법에 관하여 연구하던 중, 알도오스(aldose)를 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하고, 생성된 알콜 중간체를 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 알도오스의 키톤 화합물로의 연속 전환 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 전기화학 촉매반응을 통하여 바이오매스에서 유래한 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 단일 반응기에서 선택적으로 변형하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및
상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부; 및
음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부;를 포함하는 전기화학 반응장치를 제공한다.
본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법은 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 단일 반응기에서 촉매반응을 이용하여 빠른 반응속도와 높은 선택성으로 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 전환할 수 있다. 또한, 단일 반응기에서 산화반응과 환원반응을 동시에 진행함에 따라 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 반응장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 전기화학 반응장치 구성을 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1의 반응 동안 발생한 셀 전압을 나타낸 그래프이다.
본 발명은
알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및
상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법에 있어서, 단계 1은 알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계이다.
상기 단계 1은 알도오스를 전기화학 촉매반응을 통해 환원 반응시켜 알콜 중간체를 형성한다. 이때, 상기 알콜 중간체는 알도오스의 환원 반응을 통해 생성되는 중간 생성물로 알도오스의 알데하이드기(aldehyde group, -CHO)가 하이드록시기(hydroxyl group, -OH)로 환원되어 생성된 화합물일 수 있다.
상기 단계 1의 알도오스는 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당 및 7탄당 등일 수 있으며, 구체적으로 글리세르알데하이드(glyceraldehyde), 에리트로오스(erythrose), 트레오스(threose), 리보오스(ribose), 아라비노오스(arabinose), 크실로오스(xylose), 릭소오스(lyxose), 알로오스(allose), 알트로오스(altrose), 글루코스(glucose), 만노오스(mannose), 굴로오스(gulose), 이도스(idose), 탈로오스(talose), 갈락토오스(galactose) 등일 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 촉매는 전이금속 또는 전이후금속 등을 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로써 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬 등을 사용할 수 있으나, 일반적으로 알려진 전기화학 촉매반응으로 사용되는 금속 촉매를 사용할 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 전기화학 촉매반응은 전해질로서 산, 중성, 알칼리 용액 내에서 수행될 수 있으며, 구체적인 일례로써 황산, 황산나트륨, 수산화나트륨 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1에서 생성되는 알콜 중간체는 폴리올(polyol)일 수 있으며, 구체적인 일례로써 글리세롤(glycerol), 에리스리톨(erythritol), 트레이톨(threitol), 아라비톨(arabitol), 자일리톨(xylitol), 리비톨(ribitol), 마니톨(mannitol), 솔비톨(sorbitol), 갈락티톨(galactitol), 푸시톨(fucitol), 이디톨(iditol), 이노시톨(inositol), 볼레미톨(volemitol), 이소말트(isomalt), 말티톨(maltitol), 락티톨(lactitol), 말토트리톨(maltotriitol), 말토테트라이톨(maltotetraitol), 폴리글리시톨(polyglycitol) 등일 수 있다.
상기 단계 1의 전기화학 촉매반응은 하기 반응식 1과 같은 반응이 수행될 수 있다.
<반응식 1>
알도오스(aldose) + 2H+ + 2e- → 알콜 중간체
다음으로, 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법에 있어서, 단계 2는 상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계이다.
상기 단계 2는 상기 단계 1에서 생성된 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 최종 키톤 화합물을 생성한다. 상기 키톤 화합물은 먼저, 상기 단계 1과 같이 알도오스의 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 형성되고, 상기 알콜 중간체의 산화 반응으로 키톤기가 형성된 화합물일 수 있다.
상기 단계 2에서 생성되는 키톤 화합물은 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone), 에리트룰로오스(erythrulose), 리불로오스(ribulose), 크실룰로스(xylulose), 프럭토스(fructose), 프시코스(psicose), 솔보스(sorbose), 타가토스(agatose), 세도헵툴로오스(sedoheptulose), D-만노-옥툴로스(D-manno-octulose), D-글리세로-D-갈락토-노눌로오스(D-glycero-D-galacto-nonulose)일 수 있다.
상기 단계 2의 촉매는 전이 금속 또는 전이후금속 등을 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로써 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬 등을 사용할 수 있고, 비스무스 또는 안티몬으로 변형된 탄소 담지 백금 촉매(BiPt/C 또는 SbPt/C)를 사용할 수 있으나 상기 촉매가 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 전기화학 촉매반응은 전해질로서 산 용액 내에서 수행될 수 있으며, 구체적인 일례로써 황산을 사용할 수 있다.
상기 단계 2의 전기화학 촉매반응은 하기 반응식 2와 같은 반응이 수행될 수 있다.
<반응식 2>
알콜 중간체 → 키톤 화합물 + 2H+ + 2e-
이때, 상기 단계 1 및 단계 2의 반응은 연속적으로, 또는 동시에 수행되는 것이 바람직하다. 상기 단계 1 및 단계 2의 전기화학 촉매반응은 개별적인 반응기에서 수행되는 것이 아닌 단일 반응기에서 수행되는 반응으로 최종적으로는 알도오스가 키톤 화합물로 전환되는 반응이다.
본 발명에서 제시하는 전환방법을 통해 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 단일 반응기에서 촉매반응을 이용하여 빠른 반응속도와 높은 선택성으로 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 전환할 수 있다.
또한, 단일 반응기에서 산화반응과 환원반응을 동시에 진행함에 따라 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있다.
예를 들어, 글루코스를 환원하는 양극에서의 환원 반응과 솔비톨을 산화하는 음극에서의 산화 반응을 결합하는 경우에 고부가가치의 키톤 화합물로 프럭토스 또는 솔보스를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 음극에서 솔비톨이 없을 경우 물이 산화하여 발생하는 과전압보다 현저히 낮출 수준의 전압에서 운전이 가능하다.
또한, 본 발명은
양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부; 및
음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부;를 포함하는 전기화학 반응장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 전기화학 반응장치에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)는 양극(cathode, 11)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부(10); 및 음극(anode, 21)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부(20)를 포함한다.
또한, 상기 환원반응부(10) 및 상기 산화반응부(20)를 분리하는 양이온 교환막(30)을 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 전기화학 반응장치(100)는 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)는 전기화학 촉매반응을 통하여 바이오매스에서 유래한 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 단일 반응기에서 전환할 수 있는 장치이다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)에 있어서, 상기 환원반응부(10)는 양극(cathode, 11)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성된다.
상기 환원반응부(10)는 전기화학 반응장치(100)에서 양극(11)을 포함하고, 환원 반응이 수행되는 부분으로 알도오스의 촉매 하 전기화학 촉매반응을 통해 알콜 중간체가 형성된다.
상기 알도오스는 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당 및 7탄당 등일 수 있으며, 구체적으로 글리세르알데하이드(glyceraldehyde), 에리트로오스(erythrose), 트레오스(threose), 리보오스(ribose), 아라비노오스(arabinose), 크실로오스(xylose), 릭소오스(lyxose), 알로오스(allose), 알트로오스(altrose), 글루코스(glucose), 만노오스(mannose), 굴로오스(gulose), 이도스(idose), 탈로오스(talose), 갈락토오스(galactose) 등일 수 있다.
상기 알콜 중간체는 폴리올(polyol)일 수 있으며, 구체적인 일례로써 글리세롤(glycerol), 에리스리톨(erythritol), 트레이톨(threitol), 아라비톨(arabitol), 자일리톨(xylitol), 리비톨(ribitol), 마니톨(mannitol), 솔비톨(sorbitol), 갈락티톨(galactitol), 푸시톨(fucitol), 이디톨(iditol), 이노시톨(inositol), 볼레미톨(volemitol), 이소말트(isomalt), 말티톨(maltitol), 락티톨(lactitol), 말토트리톨(maltotriitol), 말토테트라이톨(maltotetraitol), 폴리글리시톨(polyglycitol) 등일 수 있다.
상기 양극(11)은 전이금속 또는 전이후금속 등을 포함하는 전극일 수 있으며, 구체적인 일례로써 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬 등의 금속을 포함하는 전극을 사용할 수 있으나, 일반적으로 알려진 전기화학 촉매반응의 양극으로 사용되는 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)에 있어서, 상기 산화반응부(20)는 음극(anode, 21)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성된다.
상기 산화반응부(20)는 전기화학 반응장치(100)에서 음극(21)을 포함하고, 산화 반응이 수행되는 부분으로 알콜 중간체의 촉매 하 전기화학 촉매반응을 통해 고부가가치의 키톤 화합물이 생성된다.
상기 키톤 화합물은 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone), 에리트룰로오스(erythrulose), 리불로오스(ribulose), 크실룰로스(xylulose), 프럭토스(fructose), 프시코스(psicose), 솔보스(sorbose), 타가토스(agatose), 세도헵툴로오스(sedoheptulose), D-만노-옥툴로스(D-manno-octulose), D-글리세로-D-갈락토-노눌로오스(D-glycero-D-galacto-nonulose)일 수 있다.
상기 음극(21)은 전이금속 또는 전이후금속 등을 포함하는 전극일 수 있으며, 구체적인 일례로써 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬 등의 금속을 포함하는 전극을 사용할 수 있으나, 일반적으로 알려진 전기화학 촉매반응의 음극으로 사용되는 물질을 사용할 수 있다. 또한, 비스무스로 변형된 탄소 담지 백금 촉매(BiPt/C)를 사용할 수 있으나 상기 촉매가 이에 제한되는 것은 아니다.
<부호의 설명>
100 : 전기화학 반응장치
10 : 환원반응부 11 : 양극
20 : 산화반응부 21 : 음극
30 : 양이온 교환막
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시할 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 글루코스의 프럭토스 또는 솔보스로의 전환
도 2에 나타낸 바와 같이 H-타입 셀(H-type cell)의 음극(anode)과 양극(cathode)를 양이온 교환막인 Nafion 117로 분리하였다.
양극으로는 구리 전극을 사용하였으며, 전해액으로는 0.1 M 글루코스(glucose)를 0.5 M 황산(H2SO4)에 넣어 용액을 준비하였다. 음극은 비스무스(Bismuth)로 변형된 탄소 담지 백금촉매(BiPt/C)를 전극으로 사용하였다. 전해액으로는 0.5 M 황산(H2SO4)의 용액에 0.1 M 솔비톨(Sorbitol)을 넣은 용액을 준비하여 전기화학 반응을 수행하였다.
<비교예 1>
도 2에 나타낸 바와 같이 H-타입 셀(H-type cell)의 음극(anode)과 양극(cathode)를 양이온 교환막인 Nafion 117로 분리하였다.
양극으로는 구리 전극을 사용하였으며, 전해액으로는 0.1 M 글루코스(glucose)를 0.5 M 황산(H2SO4)에 넣어 용액을 준비하였다. 음극은 비스무스(Bismuth)로 변형된 탄소 담지 백금촉매(BiPt/C)를 전극으로 사용하였으나, 산화반응부에는 솔비톨을 넣지 않은 0.5 M 황산(H2SO4)의 용액을 전해질로 사용하여 전기화학 반응을 수행하였다.
<실험예 1> 전기화학 반응장치의 전압 변화 분석
본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법의 효과를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 수행된 전기화학 반응의 셀 전압 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
글루코스가 양극(Cathode) 또는 환원반응부에서 환원되어 솔비톨(Sorbitol)로 전환되는 조건에서, 반대 반응인 산화 반응을 위해 셀(Cell)의 음극(Anode) 또는 환원반응부에 솔비톨(Sorbitol)을 주입할 경우(실시예 1)와 솔비톨을 넣지 않은 경우(비교예 1)를 비교하면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 1 mA/cm2의 전류에서 약 800 mV 셀의 전압이 낮아지는 것을 관찰할 수 있으며, 2 mA/cm2에서는 약 600 mV의 셀의 전압을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
이와 같이, 양극(Cathode)에서는 글루코스가 환원되어 솔비톨(Sorbitol)을 생성하며, 동시에 음극(Anode)에서는 솔비톨(Sorbitol)이 선택적으로 산화되어 글루코스(glucose)의 이성질체인 프럭토스(Fructose)와 솔보스(Sorbose)가 생성되는 반응이 낮은 셀 전압에서 운전될 수 있음을 확인하였다.
이를 통해 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 통하여 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 선택적으로 단일 반응기에서 전환할 수 있으며, 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및
    상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알도오스는 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당 및 7탄당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1 및 단계 2의 반응은 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 촉매는 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 촉매는 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  6. 양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부; 및
    음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부;를 포함하는 전기화학 반응장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기화학 반응장치는 환원반응부 및 산화반응부를 분리하는 양이온 교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 양극은 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 음극은 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전기화학 반응장치는 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)인 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
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