농업에서 제약, 소비자 전자제품에 이르기까지, 화학은 현대 생활을 가능하게 하는 제품과 재료를 주도합니다. 그러나 자원은 유한하며 낭비와 오염은 지속적으로 해결해야 하는 문제입니다. 동시에 기후 변화로 인해 환경 문제가 악화되고 있어 보다 지속 가능한 방식으로 필요한 것을 생산하는 것이 시급합니다. 우리 경제를 지탱하기 위해서는 여전히 화학과 그 모든 혁신이 필요하지만, 더 친환경적이어야 합니다. 오늘날 가장 중요한 과학적 동향 중 일부는 정확히 그렇게 하고 있습니다.
CAS Insights 웨비나: 그린 케미스트리의 주요 동향에 등록하세요. Dan Bailey(다케다의 지속가능성 담당 부과학 펠로우)와 Amy Cannon 박사(Beyond Benign의 전무이사 겸 공동 설립자)가 Leighton Jones(CAS 소재 분야 수석 과학자)와 함께 이 중요한 과학 분야를 형성하는 주요 동향에 대해 논의할 예정입니다. 여러분을 만나 뵙기를 기대합니다!
풍부한 원소가 차세대 영구 자석의 동력이 될 수 있을까요?
영구 자석은 모터, 반도체, 발전기, 모든 종류의 소비자 전자제품의 중요한 부품입니다. 이 자석은 지리적으로 집중되어 있고 조달하기 비싼 중요 금속의 하위 집합인 희토류에 의존합니다. 전체 희토류의 약 80%가 중국에서 공급되며, 비용과 가용성에 대한 우려가 증가하고 있습니다. 희토류 채굴은 환경에 피해를 줄 수 있으므로 다른 나라에서 희토류를 조달하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다.
연구원들은 영구 자석의 희토류를 대체하기 위해 철과 니켈과 같이 지구에 풍부한 원소를 사용하여 고성능 자성 물질을 개발하고 있습니다. 이러한 대안에는 희토류 조달에 따른 환경적, 지정학적 비용 없이 경쟁력 있는 자기 특성을 제공하는 질화철(FeN) 및 테트라테나이트(FeNi)와 같은 엔지니어링 화합물이 포함됩니다.
예를 들어, 과학자들은 최근에 인 철-니켈 합금에 인을 첨가하면 수백만 년이 걸리는 일반적인 형성 과정 대신 운석에서 발견되는 강력한 자석인 테트라태나이트가 생성된다는 사실을 발견했습니다. 이 그린 케미스트리의 혁신은 몇 초 만에 재료를 만들어 희토류, 특히 네오디뮴 자석을 대체할 수 있는 강력한 대안을 제공합니다.
풍부한 원소를 함유한 영구 자석은 다음을 위해 보다 지속 가능한 제조를 추진할 수 있습니다.
- 전기차(EV) 모터
- 풍력 터빈
- 자기공명영상(MRI) 장치
- 스피커와 스마트폰과 같은 소비자 전자제품
희토류를 대체할 수 있는 저렴하고 친환경적인 자석을 찾는 산업이 늘어나면서 이 자석의 생산량이 곧 확대될 것으로 예상됩니다.
PFAS를 사용하지 않는 대안으로 친환경 공장으로 전환하는 공장들
퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)은 지속적이고 생체 축적되며, 환경 및 건강 위험과의 연관성으로 인해 점점 더 규제를 받고 있습니다. 많은 산업에서 제조 공정과 공급망, 특히 섬유, 화장품, 조리기구, 플라스틱 등 '비필수적' 용도로 간주되는 제품에서 PFAS를 단계적으로 퇴출해야 한다는 압박을 받고 있습니다. 이러한 제품에 친환경 제조 공정을 도입하는 것은 단기적인 대체가 아닌 장기적인 솔루션을 제공합니다.
PFAS를 사용하지 않는 제조에는 PFAS 기반 용매, 계면활성제, 에칭제를 플라즈마 처리, 초임계 CO₂ 세척, 람놀리피드 및 소포로리피드와 같은 바이오 기반 계면활성제와 같은 대안으로 대체하는 것이 포함됩니다. 경우에 따라 실리콘, 왁스 또는 나노 셀룰로오스로 만든 무불소 코팅도 새롭게 설계된 워크플로에 통합됩니다.
이러한 혁신은 PFAS 오염과 관련된 잠재적 책임과 정화 비용을 줄이고, 수많은 제품을 더욱 안전하고 규정을 준수하여 생산할 수 있게 해줍니다. 또한, 독성 물질 없이도 성능 기준을 충족하는 친환경 계면활성제 시스템과 무불소 코팅의 시대를 열었습니다.
PFAS 환경에 대한 보고서에서 논의했듯이 PFAS를 단계적으로 제거하는 것은 전 세계적인 과제이지만 최근의 획기적인 발전으로 의류, 식품 포장 등에 무불소 코팅이 상업적으로 출시될 수 있습니다. 바이오 기반 계면활성제와 친환경 공정 엔지니어링도 곧 개발될 것입니다.
기계 화학 및 친환경 반응: 용매를 사용하지 않는 새로운 합성 경로
기계 화학은 일반적으로 연삭이나 볼 밀링을 통해 기계 에너지를 사용하여 용매 없이도 화학 반응을 일으킵니다. 이 기술은 용해도가 낮은 반응물이나 용액에서 불안정한 화합물을 포함한 기존 및 새로운 변환을 가능하게 합니다. 제약, 폴리머, 고급 재료를 합성하는 데 더 많이 사용되어 반응 발견과 촉매 작용의 새로운 지평을 엽니다.
용제는 종종 제약 및 정밀 화학 생산에서 환경에 미치는 영향의 상당 부분을 차지하므로 공정에서 용제를 제거하는 것은 폐기물을 줄이고 안전을 강화하는 지속 가능한 제조 방식입니다. 예를 들어, 무수 유기염은 연료 전지에서 순수한 유기 양성자 전도성 전해질로 응용될 수 있으며, 그 자체로 배출량을 낮추는 데 도움이 되는 재생 에너지 기술입니다. 연구자들은 기계 화학을 사용하여 용매가 필요 없는 이미다졸-디카르복실산 염을 합성하여 용매 사용량을 줄이고 수율을 높이며 에너지 사용량을 줄이는 데 성공했습니다.
앞으로 몇 년 안에 제약 및 재료 생산을 위한 산업 규모의 기계 화학 원자로를 볼 수 있을 것으로 예상합니다. 이 기술은 비대칭 촉매, 무금속 변환 및 연속 제조로 확장될 수도 있습니다. 새로운 기계 화학 반응과 촉매를 AI를 통해 발견하는 것도 매우 유망한 분야입니다.
화학자가 가장 지속 가능한 경로를 선택하도록 돕는 AI
기존의 반응 최적화는 환경 비용보다 수율과 속도를 우선시하는 경우가 많습니다. 화학 분야의 AI를 통해 연구자들은 효과적일 뿐만 아니라 친환경 화학 원리에 부합하는 반응을 설계할 수 있습니다. AI는 반응 결과, 촉매 성능 및 환경 영향에 대한 예측 모델링을 가능하게 함으로써 화학 연구를 혁신하고 있습니다.
그린 케미스트리에서 AI 최적화 도구는 원자 경제성, 효율성, 독성 및 폐기물 생성과 같은 지속 가능성 지표를 기반으로 반응을 평가하도록 훈련되고 있습니다. 이러한 모델은 온도, 압력, 용매 선택을 포함하여 보다 안전한 합성 경로와 반응 조건을 제안하여 시행착오식 실험에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다.
이 영역에서 AI는 어떻게 도움을 줄 수 있을까요? AI를 통해 다음이 가능합니다.
- 촉매를 물리적으로 테스트할 필요 없이 촉매가 어떻게 작동할지 예측하여 폐기물, 에너지 사용량, 잠재적으로 위험한 화학물질의 사용을 줄입니다.
- 지속 가능한 농업을 위한 친환경 암모니아 생산을 지원하는 촉매제와 연료 전지를 최적화하는 다른 촉매제를 설계합니다.
- 고처리량 실험과 머신 러닝을 통합하는 자율 최적화 루프를 지원합니다.
규제 및 ESG에 대한 압박이 커짐에 따라 이러한 예측 모델과 AI 기반 도구는 제약, 재료 과학 등 다양한 분야에서 지속 가능한 제품 개발을 지원할 수 있습니다. 이러한 도구가 성숙되면 화학 반응에 대한 표준화된 지속 가능성 평가 시스템이 개발될 것입니다. 또한 성능과 함께 환경에 미치는 영향을 우선적으로 고려하는 AI 기반 역합성 도구가 확대될 것으로 예상됩니다.
보다 친환경적인 합성 경로를 가능하게 하는 수중 및 수상 반응
화학 산업은 환경 발자국을 줄여야 한다는 압박을 받고 있습니다. 유기 용매는 유해 폐기물, 공기 오염 및 안전 위험의 주요 원인입니다. 반면 물은 무독성, 불연성이며 광범위하게 사용할 수 있습니다. 그러나 수십 년 동안 물은 촉매 역할을 할 수 없는 것으로 여겨졌습니다. 최근의 혁신은 지속 가능한 화학의 패러다임이 바뀌면서 물 속이나 물 위에서 많은 반응이 이루어질 수 있음을 보여줍니다.
수중 및 수상 반응은 용매인 물 내부에서 발생하거나 물과 물에 녹지 않는 반응물 사이의 인터페이스에서 발생하는 화학 과정입니다. 이러한 반응들은 수소 결합, 극성, 표면 장력 등 물의 고유한 성질을 활용하여 화학 변환을 촉진하거나 가속화합니다. 수상 반응은 반응물이 물에 녹지 않는 경우에도 잘 진행되는 경우가 많으며, 이는 물-유기 계면이 활성 촉매 역할을 한다는 것을 시사합니다.
예를 들어, 최근 과학자들은 아질산은 용액에 전자를 충돌시켜 물에 은 나노 입자를 개발했습니다. 이 프로젝트의 목표는 나노입자 성장 제어와 플라즈마 구동 전기화학을 더 잘 이해하는 것이었습니다. 디엘스-알더 반응은 물에서도 성공적으로 가속화되었습니다. 이 반응은 수많은 유기 화학 응용 분야에서 사용되므로 독성 용매 없이 이 반응을 완료하면 제약 및 다양한 재료에 걸쳐 친환경 화학을 향상시킬 수 있습니다.
독성 유기 용매를 물로 대체하면 더 친환경적인 합성 경로와 제조가 가능합니다. 또한 생산 비용을 절감하고 자원이 부족한 환경과 교육 기관에서 화학 합성에 대한 접근성을 확대할 수 있습니다. 이를 통해 다음을 기대할 수 있습니다.
- 제약 분야 R&D 파이프라인에서 수계 반응의 광범위한 채택
- 수용성 환경에 최적화된 새로운 촉매제 개발.
- 유동 화학 및 연속 제조 시스템과의 통합
- 저분자를 넘어 폴리머 및 재료 합성으로 확장
- 계면 효과의 개선된 모델링을 통한 수상 반응 결과 예측
DES 기반 추출이 순환 화학을 재구성합니다
전자 폐기물에서 금속을 추출하는 것은 독성 오염을 방지하고 소비자 및 산업용 기기에 필요한 재료를 적절히 공급하기 위한 필수적인 작업입니다. 폐기물에서 생체 활성 화합물을 제거하는 것도 중요하지만, 중요한 금속과 생체 활성 화합물에 대한 기존의 추출 방법은 에너지 집약적이고 위험하며 환경에 해를 끼치는 경우가 많습니다.
그러나 심층 공융 용매(DES)는 수소 결합 공여체와 수용체의 혼합물로, 두 성분보다 녹는점이 낮은 공융을 형성합니다. 이러한 맞춤형 생분해성 용매는 금, 리튬, 희토류와 같은 중요한 금속과 폴리페놀, 플라보노이드, 리그닌과 같은 생리 활성 화합물을 폐기물, 광석, 농업 잔재물에서 추출하는 데 사용되고 있습니다. DES는 강산이나 휘발성 유기 화합물(VOC)과 같은 기존 용매를 대체하는 저독성, 저에너지 용매입니다. DES의 예는 다음과 같습니다.
- 수소 결합 수용체(HBA): 일반적으로 4급 암모늄염(예: 염화콜린)
- 수소 결합 공여체(HBD): 우레아, 글리콜, 카르복실산 또는 당류 같은 화합물
- 일반적인 비율: 1:2 또는 1:3 (HBA:HBD)
DES는 순환 경제의 목표, 즉 전자 폐기물, 폐배터리, 바이오매스로부터 자원을 회수하는 동시에 배출량과 화학 폐기물을 최소화하는 목표에 부합합니다. 그들은 농업 부산물에서 귀중한 화합물을 추출하여 생물정제 개발을 지원합니다. 또한 석유화학 용매에 대한 의존도를 줄이고 지속 가능한 소재에 대한 시장 기회를 확대합니다.
가까운 미래에 산업용 금속 회수 및 바이오매스 처리를 위한 DES 기반 시스템과 식품, 제약, 화장품 응용 부문에 맞춤화된 상업용 DES 제형이 확대될 것으로 예상됩니다. 효소와 발효 과정을 통합하면 전체 스펙트럼 바이오매스 가치 증대도 가능합니다.
그린 케미스트리는 모든 산업과 분야에 영향을 미치며, 연구가 계속됨에 따라 더 일반적이고 저렴하며 환경적으로 지속 가능해질 것입니다. 여기에서 모든 최신 연구에 대한 최신 정보를 확인하세요.
