C1 가스 리파이너리 사업단

촉매 소재 및 공정 연구실(Catalytic Materials and Process Laboratory)

이 현 주 (Hyunjoo Lee)

Research overview

촉매 소재 및 공정 연구실은 산업적으로 중요한 화학반응 및 공정에 대한 다양한 촉매를 연구, 개발하여 산업과 사회 발전에 기여를 목표로 연구를 활발하게 진행하고 있다. 본 연구실에서는 촉매의 표면 구조 조절을 통해 촉매 반응성 및 선택성의 향상을 위한 최적의 촉매 물질 및 구조를 탐색, 적용하여 촉매 소재를 개발한다. 입자의 형상 제어 및 금속-담체 상호작용 조절, 전자구조 변화 등의 다양한 방법을 통해 촉매의 표면 구조를 조절하는 연구가 활발히 진행 중이다.

주요 연구분야

촉매 표면에서의 표면 반응 원리 이해

불균일계 촉매에서 일어나는 반응은 반응물이 촉매 표면과 접하는 계면에서 일어난다. 이때, 촉매 표면의 특성들은 촉매의 반응성, 선택도, 장기 안정성 등을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 특히, 촉매 표면의 기하학적 구조와 전자적인 구조 등은 촉매 특성에 영향을 미치게 되므로, 촉매 표면의 특성 및 표면 반응의 탐구는 촉매 연구에 있어 매우 중요한 과제이다. 본 연구실에서는 정교하게 합성된 촉매를 이용하여 촉매 표면의 특성 및 표면 반응을 탐구하여 불균일계 촉매 반응에서의 근본적인 이론 및 원리들을 연구하고 있다.

C1 화합물 전환: 메탄과 이산화탄소

C1 화합물은 여러 종류의 에너지원 또는 석유화학제품으로 전환시킬 수 있는 촉망 받는 기초 물질로, 그 중 메탄은 세일 가스 등의 다양한 천연자원으로부터 얻어지므로 그 생산량이 점점 많아지고 있다. 따라서 메탄을 운송 및 저장 또는 산업적으로 활용이 가능한 메탄올 등의 탄화수소 연료로 선택적으로 전환하는 것이 필요한데, 메탄을 산화시키면 대부분 이산화탄소로 전환되기 때문에 선택적으로 탄화수소로 전환하는 공정은 아직까지도 많은 어려움을 가지고 있다.

이에 본 연구실에서는 연속적인 메탄의 선택적 산화반응이 가능하며 산업적으로도 응용이 가능한 촉매를 개발하고 있으며, 촉매 활성상의 크기, 표면 구조 및 담지체 등을 제어하여 선택적인 메탄 전환의 촉매 반응에 대한 메커니즘을 도출하고 이를 바탕으로 최적화된 촉매를 개발하는 연구를 진행하고 있다.

백금 최소화 촉매 개발

비싼 가격의 문제로 상용화가 더뎌지고 있는 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC)의 가격절감 및 값 비싼 백금이 사용되는 촉매반응에서 백금의 사용량을 줄이기 위한 연구의 일환으로 본 연구실에서는 백금 최소화 촉매 개발에 몰두하고 있다. 이중 최근 국내외로 주목 받고 있는 단일원자 촉매는 기존의 나노 크기의 촉매를 뛰어넘어 원자 하나하나가 모두 화학반응에 관여하는 촉매로, 모든 원자들이 반응에 참여할 수 있는 구조이기 때문에 기존의 촉매와 달리 촉매의 사용량을 최소한으로 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 연구실에서는 백금의 표면구조 및 전자구조 제어 또는 백금 단일원자 촉매를 다양한 담지체 위에 합성하는 등의 백금 최소화 전략으로 산소 환원반응, 포름산 산화반응, 메탄올 산화반응 등의 다양한 전기화학 반응에 적용시켜 높은 반응성 및 선택도를 갖는 촉매를 개발하고 있다.

태양광 이용 촉매 개발

태양에너지는 무한재이며 탄소배출로부터 자유로운 에너지원으로써 이를 화학에너지로 전환하려고 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 태양에너지를 화학에너지로의 전환에 있어 새로운 주자 각광받는 플라즈모닉 현상을 적용한 촉매들이 연구 개발되고 있다. 플라즈모닉이란 금속 표면에 존재하는 자유전자들의 집합 진동을 일컫는 말로써 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 특성을 가진 나노 입자들을 나노안테나로 이용함으로써 광 에너지를 수집, 전환하여 촉매물질로 전달하고자 하는 연구를 진행하고 있다. 이 같은 연구는 기존에 시도되지 않은 촉매연구영역의 새 지평을 열 뿐만 아니라 광 에너지 전환 및 유용의 저변을 획기적으로 넓힐 수 있는 계기가 될 것으로 생각된다.

바이오매스 전환

화석연료의 고갈 문제로 화석연료에서 유래되는 에너지원 및 석유화학 물질에 대한 생산단가가 높아지고 있는 가운데 대체 에너지원 및 석유화학물질을 생산하는 다양한 방법에 대한 연구가 진행되어 오고 있다. 그 중 바이오매스는 다양한 고부가가치 화학물의 선택적인 생산 반응물의 대체제로 이용 될 수 있기에 주목을 받고 있다.

본 연구실에서는 산업적으로 이용가치가 높은 푸르푸랄과 글리세롤을 특정 화합물로 선택적으로 전환하기 위한 금속 나노 촉매를 개발하고 촉매 반응조건을 제어를 하여 최적의 반응경로를 찾는 연구를 진행하고 있다.

연구실 구성원

촉매 소재 및 공정 연구실은 2007년 9월부터 약 10년간 촉매 표면에 대한 이해를 바탕으로 다양한 화학 반응에 활용되는 최적의 촉매 소재를 개발하고 이를 공정에 적용하는 연구를 수행하고 있다.

현재까지 박사 6명, 석사 16명을 배출하였으며, 2017년 3월 현재 박사과정 11명, 석사과정 5명의 학생이 활발한 연구를 수행하고 있다.

이러한 연구를 바탕으로 79편의 국제학술논문과 31편의 특허를 출원∙등록 중이다