한국생산기술연구원 김용진 박사 연구실(그린촉매 연구실)

연구실 개요

그린촉매연구실에서는 그린촉매를 이용한 청정화학(Green Chemistry)에 관한 연구가 진행되고 있다. 청정화학이란, 기존 화학공정 (Eq. 1)이 phosgene과 같이 위험한 물질 혹은 인체에 유해한 물질 (RH)을 원료 혹은 촉매를 사용하여 생성물 (P)를 합성하고 HCl 등과 같이 추가로 후처리 공정에서 처리해야 할 부산물 (W)이 함께 생성되는 공정이었다면, 그린촉매기술 (Eq. 2)은 사전에 유해한 물질의 사용의 사용을 원천적으로 차단하고 친환경 원료를 사용할 뿐 아니라, 불필요한 부산물이 생성되지 않고 목적하는 생성물만 고수율로 제조할 수 있는 기술로 정의되며, 이때 고활성 촉매의 개발이 핵심기술로서 함께 수반되어야 한다.

앞서 언급한 그린촉매기술은 소분자활성화(Small Molecular Activation) 연구에 적용 가능한 분야로서 H2, CO2, CO, O2 등의 소분자와 방향족 아민과 니트로 화합물, 바이오매스 유래 화합물과 반응시켜 정밀화학산업에서 유용하게 사용될 수 있는 다양한 플랫폼 화합물(을 제조할 수 있는 새로운 촉매의 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 청정화학에서 중요하게 다뤄지고 있는 이온성 액체를 전이금속류 활성종과 반응시켜 촉매활성을 증진시키는 것에 관한 연구도 함께 수행 중이다.

특히 본 연구실은 지속가능 자원 (C1 또는 바이오매스)을 그린촉매기술과 접목시켜 범용 고분자 제조에 중요한 플랫폼 단량체를 제조하는 기술([그림1])이 다년간 축적되어 있다.

주요 연구내용 소개

H₂ activation

방향족 디니트로 화합물은 밸류체인 상 폴리우레탄의 중요한 원료가 되는 물질로서, 환원반응을 통한 아민 제조 공정과 ring 수소화 반응을 통한 지환족 아민 제조 공정이 분리되어 있으나, Ru/C + NaNO2 촉매 시스템을 이용, one-pot으로 방향족 니트로 화합물로부터 지환족 아민을 제조할 수 있는 촉매공정 기술을 개발하였다(그림 2).

CO₂ activation

이산화탄소와 아민과의 반응을 통한 치환우레아 제조 시 부산물로 생성되는 물분자로 인해 촉매 활성에 기술적 한계가 존재하였으나, 세슘 양이온과 azolide계 음이온을 구성된 촉매를 이용하면 95% 이상의 break-through 수율로 치환우레아를 제조하는 기술을 최근 구현하였다. 치환우레아는 알코올과의 반응을 통해 우레탄을 제조할 수 있는 중간체 물질로 활용 가능하다.

CO activation

일산화탄소(CO)는 C1가스의 대표적인 부산가스로서 이산화탄소 보다 활성화가 잘 이뤄져 산업적 활용도 측면에서 매우 중요하다. 본 연구실에서는 니트로 화합물 또는 아민 화합물을 CO와 반응시켜 산업적으로 유용한 물질인 우레탄을 제조할 수 있는 촉매(그림 4)를 개발하고 있으며, 값싸고 활성이 높은 촉매를 개발 중이다.

O₂ activation

바이오매스 유래 물질 (5-HMF)을 공기압에서 산화시켜 FDCA(2,5-furandicarboxylic acid)를 제조할 수 있는 고활성 불균일계 촉매에 관한 연구도 진행하고 있으며, 최근 본 기술에 관한 SK케미칼과 기술이전 계약을 맺고 상용화를 진행 중이다(그림 5).

연구실 현황

그린촉매 연구실은 현재 김용진 박사를 비롯하여 UST 박사과정 학생 4명, 석사과정 1명, 포스닥 1명, 총 7명이 그린화학 연구 분야의 원천기술 및 상용화 기술개발에 매진하고 있으며, 최근 5년 간 총 3건의 기술이전을 통해 총 114 백만원의 기술료 성과(선급금)를 창출하였으며, 19편의 SCI 논문, 국내외 특허출원 23건, 등록 15건 등의 우수한 연구 실적을 올리고 있다. 특히 C1 및 바이오매스를 기본 원료로 이용, 산업에 중요한 플랫폼 단량체를 고효율로 제조하는 촉매기술 개발 분야로 연구 분야가 특화되면서 관련 분야 역량이 제고되고 있다.