고려대학교 이기봉 교수님 연구실

연구실 개요

고려대학교 에너지 소재 및 공정 연구실 (Energy Materials and Processes Laboratory, https://www.kuempl.com/) 에서는 분리 기술을 기반으로 에너지 및 환경 관련 소재와 공정에 관한 연구를 수행하고 있다. 환경 오염을 야기하는 물질들 (CO2, NOx, 황화합물, 불소화합물, 중금속 등)의 배출을 저감하기 위한 고성능 흡착제의 개발에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 공정에서 생성되는 혼합물 중 화학공정의 중요한 원료 중 하나인 CO를 분리 회수할 수 있는 흡착 소재 및 공정에 대한 개발도 진행 중에 있다. 또한 화석연료 중 중질유분을 고품위화하여 활용가치를 높이는 연구와 미래 에너지인 수소를 효율적으로 생산하기 위한 흡착촉진 수성가스전이반응 및 메탄개질반응 등 새로운 공정 개발에 대한 연구를 진행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

적용 가능 온도에 따른 다양한 CO₂ 흡착제 개발

지구 온난화의 주요 원인으로 파악되고 있는 이산화탄소를 제거하기 위해 다양한 적용 온도별 이산화탄소 흡착제 개발에 대한 연구를 진행하고 있다. 활성탄의 기공특성 최적화, 실리카의 아민 기능화 최적화, hydrotalcite의 흡착 성능 향상, zirconate의 흡착 속도 향상 및 calcium oxide의 sintering 효과 최소화 등 각 소재의 단점을 최소화하고 장점을 극대화는 방향으로 고성능 이산화탄소 흡착제를 개발하고 있다.

고온 CO₂ 흡착제 개발 및 흡착촉진 수소 생산 반응에의 적용

이산화탄소를 고온에서 포집할 수 있는 흡착제의 개발 및 이를 이용한 공정 개발에 대한 연구를 진행하고 있다. 넓은 고온 범위 (200~700 °C)에서 적용될 수 있는 흡착제를 개발하여 온실가스 배출 저감에 기여할 수 있으며, 이를 흡착촉진 수소생산 반응(sorption-enhanced steam methane reforming 또는 sorption-enhanced water gas shift reaction)에 적용하여 친환경 에너지인 수소의 순도 및 전환율을 높일 수 있다.

저온 CO₂ 흡착제 및 Non-CO₂ 흡착제 개발

탄소를 포함하는 다양한 전구체를 이용하여 고온에서 탄화 및 활성화를 통해 CO2 및 Non-CO2를 대상으로 하는 다공성 흡착제를 개발하고 기공 특성 및 표면 특성을 분석하여 상관 관계를 파악한다. 탄화, 활성화 및 표면 개질을 통해 흡착 기체에 대한 친화도를 높이는 연구를 진행하고 있다.
중기공이 주로 존재하는 실리카에 CO2에 높은 친화도를 보이는 아민을 기능화하고 그 과정에서 발생될 수 있는 아민 유실이나 urea 생성 방지 등을 통해 CO2 흡착을 최적화한다. 기존 방법과는 달리, 아민을 이중으로 담지한 후 한 층을 가교하는 등 새로운 아민 기능화 방법을 제시하고 있다.

활성탄 기반 일산화탄소 흡착제 개발

C1 가스 리파이너리 사업단 참여를 통하여 저농도 일산화탄소의 분리 및 회수를 통해 전환율 및 경제성을 증진하고자 하는 연구를 진행하고 있다. 선택적인 일산화탄소의 분리를 위하여 일산화탄소와의 결합을 유도하는 금속염을 수분조건에서 안정하고 경제성이 높은 활성탄에 담지하여 효과적으로 일산화탄소를 흡착할 수 있는 흡착제를 개발하고 흡착 공정을 최적화하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다.

생태독성 저감을 위한 수중 중금속 흡착제 개발

산업폐수 생태독성 저감을 위해 구리를 비롯한 다양한 수중 중금속 흡착 기술에 대한 연구를 진행하고 있다. 중금속과 hydrotalcite 흡착제의 주된 흡착 메커니즘이 마그네슘 이온과의 이온 교환을 통해서 이뤄진다는 점을 고려하여 마그네슘 비율을 높인 hydrotalcite 흡착제를 개발하고 실제 폐수에 적용하는 실험을 진행하면서 구리를 비롯한 중금속에 대한 흡착 성능이 높은 흡착제 개발을 목표로 한다.

저온 질소산화물 (NOx) 흡착제 개발

초저배출 초저에너지 자동차 개발을 위해 흡착 기술을 이용한 질소산화물 (NOx) 저감 기술에 대한 연구를 진행하고 있다. 고연비 기술 적용시 배기가스의 온도가 낮아져 150 °C 이하의 저온에서 흡착 성능이 높은 흡착제 개발을 목표로 한다. 표면적이 높은 지지체에 흡착 활성이 높은 금속 산화물을 함침시킨 흡착제와 하이드로탈사이트 기반 흡착제를 합성하여 흡착 성능을 높이고, 실제 차량의 배기가스와 유사한 조건을 모사하여 실제 공정 적용 가능성을 파악하는 연구를 진행중이다.

연료전지용 수소 생산을 위한 천연가스 내 황화합물 부취제 흡착

다양한 이점을 가진 수소를 생산하기 위해 공급 인프라가 갖춰진 천연가스를 이용한 수소 생산이 현재 활용 중에 있지만 천연가스 내 존재하는 부취제 역할을 하는 미량의 황화합물은 수소 관련 공정에서의 촉매를 빠르게 피독시키기 때문에 공정에서 우선적으로 제거해야 하는 물질이다. 최근 황화합물 제거방법으로 경제적이고 간단한 흡착을 이용한 제거가 연구되고 있다. 그 중 본 연구실에서는 물리화학적으로 다양한 응용이 가능한 제올라이트를 이용한 황화합물 흡착제거에 관해 연구를 진행하고 있다.

HF 및 F₂ 제거용 건식 흡착제 개발

반도체 제조 과정 중 식각 및 증착 공정에 이용되고 배출되는 과불화 화합물인 perfluoro-compound (PFC)는 대기 중 존속 시간이 길고, 지구 온난화 지수가 매우 높아 전세계적으로 PFC 배출에 대한 규제를 강화하고 있다. PFC는 고온에서 플라즈마 열분해로 제거하며 이때, 부산물로 HF와 F₂ 가스가 발생하게 된다. HF 및 F₂는 인체 및 환경에 유해한 영향을 미치기 때문에 후처리 과정이 필요하다. 기기의 내구성 감소 및 폐수와 산성 폐기물에 의한 2차 환경 오염 문제를 발생시키던 기존 습식제거를 탈피하여 고효율, 고내구성의 건식 흡착기술의 개발이 필요하며, 본 연구실에서는 제올라이트를 포함하여 다양한 HF 및 F₂ 흡착제를 개발하고 있다.

흡열 연료 촉매의 비활성화 방지 연구

초음속 추진체의 속도로 인한 마찰열로 내부 엔진의 온도가 상승하는데, 이를 냉각시키기 위하여 탄화수소 계통 연료의 분해 반응을 통하여 주변의 열을 흡수하는 방식을 도입하였다. 연료의 분해 시 흡열량을 증가시키기 위하여 촉매로 제올라이트를 선정하였고, 촉매 비활성화 방지를 위해, 제올라이트의 미세기공을 중기공으로 확장하고 촉매 내 코크 생성량을 최소화하며 최종적으로 실제와 유사한 흐름형 반응기 내에서 촉매에 의한 연료 전환율을 높이고 비활성화 정도를 낮추는 연구를 진행하고 있다.

중질유 모델링 및 고품위화 공정 설계

중질유 고품위화 공정은 중질유에서 보다 가치있는 유분을 반응 및 분리를 통해 생산하는 공정을 말한다. 본 연구실에서는 중질유 고품위화 공정의 분리 기술에 대한 모델링 방법을 고안하고 전체 공정을 전산모사하여 더욱 효율적이고 경제적인 공정을 개발하는 연구를 진행하고 있다.

연구실 현황