한국화학연구원 김용태 박사 연구실

연구실 개요

본 연구팀은 한국화학연구원 내 C1가스전환연구그룹과 화학시뮬레이션센터의 융합연구 기획을 통하여 만들어지게 되었습니다. C1 가스(메탄, 일산화탄소, 이산화탄소)를 포함한 원료를 사용하여 유용한 화학물질을 합성하기 위한 촉매화학적 방법을 나노, 계산, 분석 및 공정기술을 활용하여 개발하는 것이 본 연구팀의 목표입니다.

현재 상업적으로 다양한 화학촉매가 적용되고 있지만, 대부분의 촉매화학공정은 낮은 공정효율을 나타냅니다. 이를 개선하기 위해서 촉매의 효율을 높이는 연구가 많이 진행되었지만, 촉매 해석기술(예: 활성점 규명, 구조분석 등)의 한계는 혁신기술 개발의 걸림돌이었습니다. 촉매 제조기술과 해석기술의 기술 간극을 좁힌다면 공정효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 열역학적인 관점에서의 기술적인 난제를 해결할 수 있을 것으로 기대합니다. 특히, 값싼 원료인 메탄을 전환하여 높은 마진을 갖는 화학물질을 개발한다면 그 파급효과가 높을 것으로 기대합니다. 본 연구팀은 메탄의 다양한 반응경로를 통하여 올레핀, 방향족화합물 및 함산소화합물을 합성하는 연구를 진행하고 있습니다 (그림 1)

오직 메탄만을 원료로 사용하여 직접 전환하는 방법은 합성가스, 메탄올 등을 경유하는 간접전환 방법보다 에너지 효율의 장점을 가질 수 있습니다. 이를 위하여, 메탄의 C-H 활성화를 선택적으로 시킬 수 있는 해명기술의 개발을 통하여 경제성이 있는 공정수율의 확보가 필요합니다. 일반적으로, 메탄을 고온에서 나노 클러스터를 포함한 촉매로 전환하면 최종적으로 결정성 탄소가 생성물로 합성되게 됩니다. 향후, 나노촉매의 한계를 극복하여 반응경로를 조절할 수 있는 새로운 촉매 반응계의 개발이 필요합니다
(그림 2).

이에 본 연구팀은 2017년부터 C1 가스 리파이너리 사업단의 지원을 받아 메탄을 높은 수율의 에틸렌 및 방향족화합물로 전환할 수 있는 단원자 촉매 반응계를 개발하는 연구를 진행하고 있습니다. 본 과제를 통하여 고온 (≥ 1,000 oC)에서 라디칼 기반의 반응경로를 조절할 수 있는 단일원자 활성점을 갖는 촉매를 개발한다면, 코크를 생성하지 않고 탄소효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대합니다 (그림 3).

이를 위하여 본 연구팀은 제일 원리 계산 방법을 이용하여 단원자 신규 활성점 확보를 위한 연구를 진행하고 있습니다. 한국화학연구원에 구축된 서버 클러스터를 이용하여 C-H 활성화를 위한 다양한 촉매 활성점의 후보군을 탐색하고, 촉매 반응의 메커니즘을 밝히는 연구를 진행하고 있습니다. 또한 기존의 제일 원리 계산이 가지는 문제점을 개선하기 위해 본 연구팀은 머신러닝 기법을 활용하는 연구를 시작하였습니다. 머신러닝 기법을 활용하면 제일 원리 계산 수준의 정확성으로 분자의 동력학을 살피는 연구가 가능할 것으로 기대됩니다. 장기적으로 본 연구팀은 C-H 활성화를 위한 인자의 실험 및 계산 데이터베이스를 구축하고 C1 리파이너리 사업단 내 세부과제에 제공하여 해명기술 도출에 기여하고자 합니다.

연구실 현황