Pd/Cu Foam 전극에서 수소 발생 반응 조절을 통한 5-Hydroxymethylfurfural 의 선택적 2,5-dimethylfuran 전기화학전환 : HMF 로부터 지속 가능한 자원인 DMF 생산을 위한 고효율 전기 촉매 개발 = Modulation of Hydrogen Evolution for Selective Electroconversion of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Dimethylfuran on Pd/Cu Foam

국문 초록 (Abstract)

화석 연료의 고갈과 기후 변화의 가속화로 인해, 재생 가능한 자원을 활용한 지속 가능한 에너지 전환 기술의 필요성이 증대되고 있다. 특히, 풍부한 자원을 보유한 바이오매스는 에너지 위기 해결과 환경 오염 완화의 대안으로 주목받고 있으며, 그중 5- 하이드록시메틸푸르푸랄(5-Hydroxymethylfurfural, HMF)은 목질계 바이오매스로 부터 얻을 수 있는 대표적인 플랫폼 분자로, 고부가가치 화학물질 생산을 위한 핵심 전구체로 활용된다. 본 연구에서는 전기화학적 환원 반응을 통해 HMF 를 연료 특성이 우수한 2,5- 디메틸푸란(2,5-dimethylfuran, DMF)으로 전환하는 공정에 주목하였다. HMF 는 알데하이드기와 알코올기를 동시에 포함하고 있어, 환원 경로에 따라 중간체(BHMF, MFA, MF)가 형성될 수 있다. 따라서 반응 선택성을 제어하고 DMF 로의 선택적 전환을 달성하기 위해서는 촉매의 전자 구조 조절과 반응 경로의 정밀한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 Cu 기반에 Pd 를 도입한 전기촉매를 개발하여 HMF 의 수소분해 반응 활성과 선택성을 향상시켰다. 전기화학적 거동은 시간대전류법(Chronoamperometry,CA)을 통해 분석하였으며, 생성물 분석은 Headspace GC-MS(HS/GC-MS)를 이용하여 DMF 를 정량적으로 확인하고, HPLC 를 통해 반응 중간체의 형성을 추적하였다. 그 결과, Pd 가 도입된 Cu 촉매는 기존 Cu 기반 촉매보다 DMF 선택성이 크게 향상되었으며, 높은 DMF 수율을 달성함을 확인하였다. 결론적으로, 촉매를 이용해 반응 선택성을 제어함으로써 DMF 생산 효율을 높일 수 있음을 실험적으로 규명하였으며, 이는 바이오매스 유래 화합물의 전기화학적 전환을 통한 지속 가능한 연료 생산 연구에 중요한 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The depletion of fossil fuel reserves and the acceleration of climate change have increased the need for sustainable energy conversion technologies utilizing renewable resources. Among them, biomass has attracted considerable attention as an alternative to mitigate both the energy crisis and environmental pollution. In particular, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a representative platform molecule derived from lignocellulosic biomass, serves as a key precursor for producing high-value chemicals. In this study, we focused on the electrochemical reduction of HMF to 2,5-dimethylfuran (DMF), a promising fuel candidate with high energy density and gasoline-like combustion properties. Since HMF contains both aldehyde and alcohol functional groups, multiple intermediates such as BHMF and MFA can be formed depending on the reduction pathway. Therefore, controlling the reaction selectivity through precise tuning of the catalyst structure and electronic properties is essential to achieve efficient DMF production. Herein, we developed a Pd-modified Cu-based electrocatalyst to enhance the hydrogenolysis activity and selectivity toward DMF. The electrochemical behavior was evaluated using chronoamperometry (CA), while product analysis was performed using headspace gas chromatography–mass spectrometry (HS/GC–MS) for quantitative determination of DMF and high- performance liquid chromatography (HPLC) for identifying reaction intermediates. The results revealed that the Pd–Cu catalyst exhibited significantly improved selectivity and higher DMF yield compared to the pristine Cu catalyst. In conclusion, this work experimentally demonstrates that introducing Pd into a Cu-based catalyst effectively controls the reaction selectivity, leading to enhanced DMF production efficiency. These findings provide valuable insights for the design of sustainable electrochemical conversion systems for biomass-derived compounds.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 i
• English Abstract ii
• 1. Introduction 1
• 2. Experimental 3
• 2.1. Chemicals and materials 3
• 2.2. Preparation of Pd/Cu foam electrode 3
• 2.3. Characterization of Materials 4
• 2.4. Electrochemical HMF Reduction 4
• 2.5. Product Analysis 6
• 3. Results and Discussion 7
• 4. Conclusion 20
• 5. References 21