[보고서]BT/NT/IT/ET 융합 기반 탄소 전환 연구실

이정걸

보고서 정보

주관연구기관

건국대학교
KonKuk University

연구책임자

이정걸

보고서유형

최종보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2020-02

과제시작연도

2019

주관부처

과학기술정보통신부
Ministry of Science and ICT

등록번호

TRKO202000004936

과제고유번호

1711088902

사업명

집단연구지원(R&D)

DB 구축일자

2020-07-29

키워드

메탄.부탄디올.융합진화.디에프티.나노구조체.methane.butanediol.hybrid evolution.DFT.nanostructure.

표 BT/NT/IT/ET의 융합 기반 신규 촉매공정을 통한 메탄으로부터 고부가 케미칼의 생산 모식도
표 QM/MM에 의한 MMO (hydroxylase)의 속도 결정 단계 분석
표 돌연변이 MMO (hydroxylase)의 M. trichosporium OB3b 야생균주로의 conjugation 도입을 위해 사용된 프라스미드 및 균주들
표 Methanol production profile at different methane concentrations by wild-type (a) and tirple mutant (b)
표 야생균주와 고활성 돌연변이 균주(single, double, triple mutant)의 시간에 따른 메탄올 생산량 비교
표 Wild-type biocatalyst (MDH, FDH, etc.)보다 우수한 활성을 지니는 돌연변이 후보군을 선별하기 위한 Two-stage screening approach의 개념도
표 FDH 기반 이산화탄소 환원반응을 통한 formate 생성을 위한 반응 기작
표 Modelled enzyme substrate complex (FDH-CO2)
표 (a) Optimized reactant (FDH-CO2). (b) Root mean squared deviation (RMSD) plot of FDH-CO2 obtained through MD simulations for 30 ns
표 Active site of MDH 및 반응기작
표 MDH의 active site에서 methanol이 산화되는 반응 기작에 따른 에너지 profile 개념도. QM/MM 방법론에 기반하여 예측된 반응물 기질, 중간체, 생성물 기질의 최적화된 구조
표 Formaldehyde production from HCOO-. All reactions were carried out under optimized experimental conditions at 30°C in phosphate buffer (100 mM, pH 7.0) with NaHCO3 (100 mM). Formaldehyde was analyzed quantitatively using the Nash method. The method is based on the Hantzsch reaction and a calibration curve was constructed using standard formaldehyde solution with concentrations ranging from 10 to 100 μM. The samples were reacted 1:1 (v/v) with Nash's reagent consisted of 0.05 mM acetic acid, 0.02 M acetylacetone, and 2 M ammonium acetate. The development of a yellow color by the Hantzsch reaction was measured colorimetrically at 412 nm
표 Formaldehyde production from HCOO- or CO2 with or without cofactor regeneration
표 Artificial reaction cascade: 2,3BD production from ethanol
표 Engineering of FLS via HotSpot wizard server. Identified hotspot residues (T396, T446, M473, S477, L482, L499) and kinetic constants of FLS wild-type and mutants
표 23BD production from ethanol using L482S FLS. (a) Time profile of acetoin production from ethanol. (b) Effect of substrate concentration on 23BD production from ethanol
표 탄소-염 함침 공정을 이용한 요크쉘 분말 전구체 입자 합성 모식도
표 탄소-염 함침 공정을 이용한 요크쉘 분말 전구체입자 SEM, TEM 이미지
표 분무 열분해 공정을 통한 멀티룸 구조의 분말 합성 모식도
표 분무 열분해 공정을 통한 멀티룸 구조의 분말 SEM, TEM 이미지
표 분무 열분해 공정을 통한 자성을 가진 CNT가 성장된 요크쉘 분말의 합성 모식도
표 분무 열분해 공정을 통한 자성을 가진 CNT가 성장된 요크쉘 분말의 SEM, TEM 이미지
표 투과전자현미경(TEM)을 이용해 분석한 혼합용액 비율에 따른 구형 입자 형성도 및 크기 분포도, 각각 (a) EtOH : ACN = 4 : 0, (b) EtOH : ACN = 3 : 1, (c) EtOH : ACN = 2 : 2, (d) EtOH : ACN = 1 : 3, (e) EtOH : ACN = 0 : 4], (f)는 혼합 용액 비율에 대한 크기 분포를 그래프로 나타낸 것임
표 TiO2의 전구체인 TBOT 첨가량에 따른 입자 크기 분포도. 각각 (a) 1 ml의 TBOT, (b) 2 ml의 TBOT, (c) 4 ml의 TBOT, (d) 6 ml의 TBOT, (e) 8 ml의 TBOT를 첨가한 경우의 저배율 및 고배율 이미지 이며, (f)는 크기 분포를 그래프로 나타낸 것임
표 계면활성제 HPC 농도에 따른 구형 TiO2 입자의 형성도를 TEM을 이용한 분석 이미지, 각각 (a) 0 (b) 41.67 (c) 166.67 (d) 416.67 (e) 1667 mg/L 의 HPC 농도를 첨가한 경우의 이미지이며 (f)는 입자 크기 분포를 나타낸 그래프임
표 중공형 TiO2 나노 입자 합성과정(왼쪽)과 균일하게 만들어진 중공형 TiO2 나노 입자의 현미경 사진(오른쪽)
표 중공형 나노구조 촉매 입자 합성에 대한 개략도 및 투과 전자 현미경을 통해 확인한 합성도, (a) 구형 SiO2 입자, (b) SiO2/TiO2 코어 쉘 구조 입자, (c) 중공형 TiO2 나노 입자, (d) 구리 이온이 담지된 TiO2 중공형 나노 입자, (e) 소성(700℃)을 거친 결정형 TiO2 중공형 나노 입자. (f) 과량의 CuO를 제거한 CuOx/TiO2 중공나노입자
표 합성된 CuO/TiO2의 다양한 소성 온도별 XRD data
표 본 연구진이 구축한 아세트알데하이드 알돌 중합반응시스템
표 광촉매-생촉매 융합공정 개발을 위해 본 연구진이 구축한 광화학 반응 시스템
표 에탄올로부터 BD 생산을 위한 protein scaffold. (A) Free enzyme 조합의 낮은 BD 생산성 사유: diffusion 및 긴 transient time, (B) EDH, FLS, BDH 등으로 구성된 BD 생산을 위한 scaffold로서 보다 효율적이고 안정적인 효소 반응이 가능
표 Construction of protein scaffold for BD production from EtOH. (A) Confirmation of binding between target protein and protein scaffold by FPLC. Red line shows Scaffoldin only; Purple line shows FLS only; Green line shows FLS binding to scaffoldin. (B) Confirmation of ligand binding using Pull-Down. Lane 1: Scaffoldin only; Lane 2: Scaffoldin + EDH; Lane 3: Scaffoldin + EDH-CtDOC; Lane 4: Scaffoldin + FLS; Lane 5: Scaffoldin + FLS-SH3; Lane 6: Scaffoldin + BDH; Lane 7: Scaffoldin + BDH-RfDOC
표 MeOH production based on different molar ratio of target protein and protein scaffold
표 Schematic presentation of synthesis of multi-enzyme hybrid nanoflower FaldDH, and PtDH in the presence of MnSO4
표 Immobilization of yeast cells on the 3D-microporous SiO2 macrospheres. (A) Scheme for preparation of 3D-microporous SiO2 structure, (B) FE-SEM of the yeast immobilized on the 3D-microporous SiO2 structure. (C) Reusability of the immobilized methanotrophs
표 돌연변이 메탄산화세균 균주와 야생균주를 3Dmicroporous SiO2 에 고정화하여 CH4를 기질로 연속생산 공정 수행 시, 시간에 따른 메탄올 생산 및 1H-NMR을 통한 time profile
표 본 연구를 통해서 규명된 methanol 수소화 반응 기작: 1단계
표 본 연구를 통해서 규명된 methanol 수소화 반응 기작: 2단계
표 전체 반응에 따른 potential energy surface profile
표 NAD+/NADH 기반 MDH 생촉매의 binding sites 및 shells에 대한 schematic diagram. 1st shell에 해당하는 residues를 오른쪽 그림에 표시하였음
표 8가지 mutants의 최적화된 구조에 대한 모식도 및 rate-limiting step (TS1)에서의 activation energy barriers
표 분무 열분해 공정을 통하여 합성한 기능성 이기종 계 마이크로구의 SEM, TEM 이미지
표 분무 열분해 공정을 통한 자성을 가진 CNT가 성장된 multi-room 분말의 SEM, TEM 이미지
표 탄소-염 함침 공정을 이용해 합성한 이기종 구조체 합성 모식도
표 분무 공정을 통해 합성한 코어-쉘 입자들이 응집된 이기종 구조체의 SEM, TEM 이미지
표 합성된 CeO2 중공형 입자의 SEM 분석 이미지(a, b는 소성 전, c, d는 소성 후 분석 것임)
표 (a~f) TBOT 전구체를 조절하여 제조한 TiO2 입자의 전자현미경 사진 및 결과, 소성 온도를 달리하여 제조한 TiO2 입자의 (g) XRD 패턴, (h) BET 및 (i-j) 광화학적 반응 실험 결과
표 황산염 기능기를 담지 하기 전 (a) SiO2, (b) Al2O3, (c) TiO2, (d) ZrO2 샘플 과 황산염 기능기를 담지 한 이후(e) SiO2, (f) Al2O3, (g) TiO2, (h) ZrO2 샘플의 전자현미경 결과
표 황산염이 도입된 금속산화물의 특성 : (a) 500℃ (b) 700℃에서 소성한 샘플의 FT-IR. (c) 금속산화물 700℃ 소성 샘플의 NH3-TPD. (d) 금속산화물 700℃ 소성 샘플의 TGA
표 황산염이 도입된 Al2O3의 특성: (a) XRD, (b) FT-IR, (c) NH3-TPD, (d) TGA
표 중공형 입자 제조 단계 SEM 및 TEM 결과 (a) SiO2@TiO2-ZrO2 (b) 중공형 TiO2-ZrO2 (c) 황산염이 도입된 중공형 TiO2-ZrO2
표 Zr 전구체 (ZBOT): Ti 전구체 (TBOT)가 1:3 으로 합성 및 황산염 기능기 처리 후, 다른 온도에서 소성한 중공형 TiO2-ZrO2 혼합 산화물 촉매의 특성 분석 및 산촉매 모델 반응 성능 결과: (a) 질소흡탈착 결과, (b) XRD, (c) TGA 및 (d) 모델 반응인 levulinic acid 에스테르화 반응 성능
표 회분식 아세트알데하이드 알돌 중합반응시스템 개략도
표 반응 산물의 GC 크로마토그램. (a) 씨그마 알드리치에서 구매한 reference 3-hydroxybutanal의 실제 피크 값(검정)과 염기 조건 반응 산물의 피크 값(빨강), (b) acetaldehyde와 crotonaldehyde의 실제 피크 값(검정)과 산 조건 반응결과물의 피크 값
표 본 연구진이 밝혀낸 반응 기작의 개략도
표 아세트알데하이드 알돌 중합 반응 실험 결과. (a) KOH를 촉매로 사용하여 나타낸 결과, (b) NaOH를 촉매로 사용하여 나타낸 결과, (c) NH4OH를 촉매로 사용하여 나타낸 결과, (d) 각각 촉매를 사용한 경우 반응 산물의 크로마토그램
표 NaOH를 촉매로 사용하여 (a) 용매 비율, (b) 온도를 변수로 설정하여 진행한 반응 결과
표 Kinetics of (A) free enzymes and (B) protein scaffold
표 Transient time of without and with scaffold
표 Time dependence of fluorescence intensity. Purple line: EDH (λex: 410 nm, λem: 423–475 nm). Green line: EDH-FLS-BDH (λex: 410 nm, λem: 558–586 nm). The fluorescence intensity of EDH was measured using a 452 nm band-pass filter, and that of BDH was measured by using a 573 nm band-pass filter. Fluorescence intensities are shown as fluorescence arbitrary units (FAU)
표 Time dependence of fluorescence intensity. (A) Blue line: EDH (λex: 410 nm, λem: 423–475 nm). Pink line: EDH-FLS (λex: 410 nm, λem: 495-519 nm). The fluorescence intensity of EDH was measured using a 452 nm band-pass filter, and that of FLS was measured by using a 520 nm band-pass filter. (B) Purple line: FLS (λex: 488 nm, λem: 495–519 nm). Green line: FLS-BDH (λex: 488 nm, λem: 558–586 nm). The fluorescence intensity of FLS was measured using a 452 nm band-pass filter, and that of BDH was measured by using a 573 nm band-pass filter. Fluorescence intensities are shown as fluorescence arbitrary units (FAU)
표 Electron transfer pathway for the reduction of 3-hydroxybutanone(3-HB) to 2,3-butanediol(23BD) obtained by ePathway method. Out of the all the pathways obtained from the ePathway analysis, the best pathway was selected based on distance, spin density, and proximity to active center. In the best electron transfer pathway, electron is transferred from surface residue (Arg52) via Phe53, Asn54, Asn10, Cys11, Ile245, His244, Ser243, and Ala242 to the active site
표 Proposed BmFaldDH catalyzed reaction mechanism for the reduction of formate to formaldehyde. (I), Four amino acids coordinated to zinc metal, dissociation of amino acid by water molecule. (II), NADH bind with amino acid residues. (III), displacement of zinc-bound water by formate substrate. (IV), hydride ion transfer from NADH followed by protonation from amino acid (ser49). (V) formation of methylene glycol followed by water molecule elimination
표 (A) Kinetic study of BmFaldDH (7.8 mg/mL) with D2O, 2mM NADH, and 100mM formate at room temperature. (B) EPR spectrum of trapped intermediate at reaction time 3s, 8s and 14s. The reaction mixture has enzyme+cofactor+substrate complex. The EPR spectra were analyzed in terms of a S = 3/2 spin Hamiltonian using anisotropic intrinsic g-values in the range characteristic of penta coordinate Co (II) i.e g=4.1 observed at 1680G
표 1H-NMR spectrum for enzyme catalyzed reaction intermediates. A 1H NMR peaks for both starting complex and an intermediate complex is given as Fig. A and B, respectively. (A) The signal at 9.5 ppm (1H) for formate, 6.6 ppm (C2, 1H), 3.2 ppm (C4, 2H), 4.4 ppm (C5, 1H), 5.6 ppm (C6, 1H) for NADH and rest of the peaks corresponding to amino acids. (B) The signal at 5.8 ppm (2H) for methylene glycol, 9.8 ppm (C2, 1H), 9.6 ppm (C4, 1H), 8.7 ppm (C5, 1H), 9.5 ppm (C6, 1H) for NADH and rest of the peaks corresponding to amino acids which are surrounding the central metal atoms
표 Energy barrier calculation for Hydride transfer step and proton transfer step. Energy barrier was calculated for both the transition state of hydride transfer step and proton transfer step
표 Artificial reaction cascade: 2,3-butanediol production from ethanol and acetaldehyde
표 Immobilization of enzymes as a multienzyme hybrid system.a
표 (A) FE-SEM of nanoflowers. (a) FE-SEM in low resolution, (b) FE-SEM in high resolution, (c-f) elemental mapping images, and CLSM images of RBITC labelled (g) EtDH and FLS, (h) FITC labelled BDH, (i) combined image of g and h, and (j) bright field image of Mn-ME (EtDH-FLS-BDH) hybrid nanoflowers synthesized using 0.25 mg mL-1 of total protein and 2 mM of MnSO4 in 50 mL of phosphate-buffered saline solution (10 mM, pH 7.4) for incubation of 24 h at 4 oC. (B) Schematic diagram of multi-enzyme hybrid nanoflower reactor. (C) Cumulative 23BD production from ethanol and acetaldehyde by multi-enzyme hybrid nanoflower reactor
표 Schematic representation (A) of the bioelectrochemical synthesis (BES) of acetoin. Pictorial representation (B) of BES system. Cumulative 23BD production (C) in BES system
표 Chronoamperometric current generation (A) and 23BD formation (B) noted in bioelectrosynthesis system at -0.6V with variation in type of cathode electrode. (C) GC chromatogram using a chiral column for quantification of 23BD production
표 Current, acetoin generation, and yield noted in bioelectrosynthesis system at –0.6V
표 Reaction mechanism of FLS via non-watermediated pathway
표 C2, C3, C4 aldehyde에 신규 활성 갖는 생촉매 확보를 위한 hybrid evolution. (A) C4 aldehyde에 대한 활성을 갖는 돌연변이 생촉매를 확보하기 위해서는 다중 돌연변이가 요구되나, 라이브러리 규모의 한계로 인해 원스텝으로 확보하는 것은 거의 불가능함. (B) 원스텝이 아닌 C2 aldehyde를 1차 중간체 기질로 놓고, 다시 C3 aldehyde를 2차 중간체 기질로, 그리고 최종적으로 C4 aldehyde에 활성을 갖는 변이체를 찾는 다단계를 통해 신규 기질에 고활성인 돌연변이 제조
표 The ΔGb values determined by QM/MM calculation
표 SDS-PAGE of FLS:L482S and its mutants
표 다공성 구형 탄소에 금속염 함침법을 이용한 나노 구조체 합성 모식도
표 다공성 탄소 지지체에 금속염 함침법을 이용한 요크쉘 형태 나노구조체의 이미지
표 분무 열분해 공정을 통한 CNT가 성장된 Ni-MgO 요크쉘 구조체의 합성 모식도
표 분무 열분해 공정을 통한 NiO-MgO 요크쉘 분말과 CNT가 성장된 Ni-MgO 요크쉘 구조체의 SEM 이미지
표 분무 열분해 공정을 통한 CNT가 성장된 3DOM 형태 SiO2 구조체의 합성 모식도
표 분무 열분해 공정을 통한 CNT가 성장된 3DOM 형태 SiO2 구조체의 SEM 이미지
표 분무 열분해 공정을 통한 CNT가 성장된 Fe-TiO2 요크쉘 구조체의 합성 모식도
표 분무 열분해 공정을 통한 CNT가 성장된 Fe-TiO2 요크쉘 구조체의 SEM 이미지
표 MOF를 통한 대량의 다공성 탄소 분말 회수 시스템
표 실험실 수준의 분무 열분해 장비(왼쪽)와 대량 생산용 분무 열분해 장비(오른쪽)
표 대형 분무 건조 장치(a)와 다공성 요크쉘 SiO2 입자 합성 모식도(b) 및 SEM 이미지(c, d)
표 Pt@TiO2@Other Semiconductor 광화학적 반응 메커니즘
표 Hollow Pt-TiO2/CeO2 광촉매 제조 scheme 및 각 단계별 XRD, FE-SEM 결과
표 CeO2 첨가에 따른 Pt@TiO2@CeO2 촉매 및 Pt@P25@CeO2의 HER 성능 결과
표 Pt@TiO2@CdS의 입자 제조 과정
표 CdS 첨가량에 따른 SEM–Image (a)Pt@TiO2 (b)Pt@TiO@CdS(5 mM) (c)Pt@TiO2@CdS(10 mM) (d)Pt@TiO2@CdS(15 mM)
표 CdS 첨가량에 따른 Pt@TiO2@CdS 시료의 질소 흡탈착 곡선 및 기공 크기 분포
표 CdS 첨가량에 따른 Pt@TiO2@CdS 샘플의 비표면적 및 평균 기공 크기
표 CdS 첨가량에 따른 제조된 Pt@TiO2@CdS 촉매의 가시광 흡수능력
표 가시광 조건에서 Pt@P25@CdS 광촉매의 수소 발생 환원 반응 성능
표 가시광 조건에서 Pt@TiO2, Pt@TiO2@CdS 및 Pt@TiO2 광화학적 수소 생산 메커니즘
표 합성된 중공형 CeO2 중공형 입자의 SEM 분석 이미지(a, b는 소성 이전, c, d는 소성 이후)
표 반응성 비교를 위해 진행한 실험 결과 데이터 : (a) 산과 염기의 반응성 비교 결과 (b) 염기도에 따른 반응성 비교 결과
표 반응 시간에 따른 수율의 변화 및 반응 메커니즘

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