Glucose로부터 5-Hydroxymethylfurfural 제조를 위한 MFI 및 Beta 제올라이트 촉매의 비교 연구: 촉매의 구조적 특성 및 산점이 반응 성능에 미치는 영향 = Comparative Study of MFI and Beta Zeolite Catalysts for 5-Hydroxymethylfurfural Production from Glucose: Influence of Textural Properties and Acidity on Catalytic Performance

국문 초록 (Abstract)

포도당의 5-하이드록시메틸푸르푸랄(HMF)로의 촉매 전환은 이성질화 및 탈수 경로를 정밀하게 제어해야 하는 바이오매스 고부가가치화 핵심 공정이다. 본 연구에서는 MFI 및 베타 제올라이트의 촉매 성능을 비교분석하여 이들의 물리화학적 특성과 HMF 수율 간의 관계를 규명하였다. 촉매의 결정 구조, 기공 구조 및 산성특성은 X선 회절, N2 흡착-탈착 및 NH3 온도 프로그램 탈착을 통해 체계적으로 분석되었다. 실험 결과 베타제올라이트가 MFI 제올라이트보다 HMF 수율 측면에서 우수한 성능을 보였으며, 이는 우수한 기공 접근성과 포도당-과당-HMF 연쇄 반응에 유리한 산성 부위의 최적화된 분포에 기인한다. 공정 효율을 더욱 향상시키기위해 베타 제올라이트 시스템의 반응 조건을 최적화하였다. 반응 온도와 염분 제거제인 NaCl 농도의 영향을평가하여 부반응을 억제하면서 HMF 생산을 극대화하는 최적 조건을 확립하였다. 본 연구는 제올라이트의구조적 특성과 산도가 육당류의 선택적 탈수 반응에 미치는 영향을 포괄적으로 규명함으로써 지속 가능한화학 생산을 위한 이종 촉매 설계에 실용적인 통찰력을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The catalytic conversion of glucose into 5-hydroxymethylfurfural (HMF) is a pivotal process in biomass valorization, requiring precise control over isomerization and dehydration pathways. In this study, the catalytic performances of MFI and Beta zeolites were comparatively investigated to elucidate the relationship between their physicochemical properties and HMF yield. The crystalline structures, pore architectures, and acidic characteristics of the catalysts were systematically characterized using X-ray diffraction, N2 adsorption-desorption, and NH3 temperature-programmed desorption. Experimental results demonstrated that Beta zeolite outperformed MFI zeolite in terms of HMF yield, which is attributed to its superior pore accessibility and optimized distribution of acid sites conducive to the glucose-to-fructose-to-HMF cascade. To further enhance the process efficiency, the reaction parameters for the Beta zeolite system were optimized. The effects of reaction temperature and the concentration of NaCl as a salting-out agent were evaluated, establishing the optimal conditions for maximizing HMF production while suppressing side reactions. This study provides a comprehensive understanding of how zeolite topology and acidity influence the selective dehydration of hexoses, offering practical insights into the design of heterogeneous catalysts for sustainable chemical production.