KIST 청정화학 및 공정 연구실 (KIST 이현주 박사)

연구실 개요

KIST 청정화학 및 공정 연구실 (Green Chemistry & Engineering Lab.)에서는 과학계가 해결해야 할다양한 환경 및 에너지 분야의 연구 주제를 실험실 규모로부터 기업화를 위한 공정화까지 진행하고 있다. 현재 가장 중점적으로 연구하고 있는 분야는 지구상 가장 풍부한 탄화수소 화합물인 메탄 (methane)을 촉매화학적으로 변형시켜 메탄올을 합성하기 위한 연구이다. 실험실 규모로 다양한 구조의 유기금속 촉매를 합성하고 Lab 스케일의 반응을 수행하므로서 최적의 촉매 및 반응조건을 탐색하고 있다. 이를 기반으로 팀 내 화학공학 연구자들과 협업 연구를 통하여 반응의 스케일을 수 리터 규모로 확대하고, 소량 반응에서 관찰하지 못했던 다양한 반응의 거동을 살핀다 발전소 배가스로부터 미세먼지의 원인 물질인 이산화황을 선택적으로 흡수하고 이를 농축하여 자원화하는 연구도 진행중이다. 또한 바이오매스를 전환하여 에너지 및 화학 제품의 원료로 전환하는 반응, 전기화학적 유기화합물 합성 연구도 함께 진행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. 메탄 전환반응

본 연구실에서는 C1 리파이너리 사업 1단계 연구를 통해 메탄을 발연황산하에 산화시켜 메탄올 전구체를 합성하는 연구를 진행하였다. DMSO 혹은 amine이 배위되어 있는 다양한 Pt 촉매를 개발하였고 그 성능이 세계 최고 수준임을 논문 및 특허를 통해 발표하였다, 이 결과를 기반으로 7 L 규모의 메탄 산화반응을 Bench Scale 규모로 수행하였다.

2단계 연구에서는 황산계 보다 약산 조건인 CF₃CO₂H 용매 하에서 메탄을 산화시키는 방법을 진행하고 있고, 최종적으로 산소를 이용한 선택적 메탄 산화반응에 대해 연구를 진행하고 있다.

2. 배가스 중 SO₂ 회수/분리 연구

제련소나 화력발전소, 그리고 제철소 등에서 배출되는 배가스 중에는 NOx 및 SO₂가 포함되어 있고 이는 그 자체가 대기오염의 주 원인이 될 뿐만 아니라 대기중에서 입자화되어 미세먼지의 원인 물질로 작용하고 있다. SO₂는 현재 Ca 화합물을 이용하여 처리되고 있지만 물에 대한 용해도가 충분하지 않아 SO₂와의 반응속도가 늦을 뿐만 아니라 관막힘 현상을 일으킨다. 본 연구실에서는 발전소 배가스 중 SO₂를 선택적으로 분리하고 이를 회수하여 황산의 원료로 사용할 수 있는 기술을 연구중에 있다. 다양한 아민계 흡수제를 합성하고, SO₂와 가역 반응성을 측정, 1NM³/h 규모의 Mini-pilot 장치를 이용하여 그 성능을 규명하고 있다.

3. 바이오매스 고부가화 연구

인류가 가장 처음 사용하기 시작했고, 지구상의 석유/가스 자원이 모두 사용된 후에도 사용할 수 있는 에너지 및 화학원료는 바이오메스이다. 본 연구실에서는 셀룰로오즈-헤미셀룰로오즈-리그닌으로 구성되어 있는 리그노설포네이트계 바이오메스 및 유지에서 발생되는 글리세롤의 고부가화 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 구체적으로는 바이오메스의 화학적 전환을 위한 이온성액체 개발, 바이오메스 기반 나일론 제조, 글리세롤을 원료로 고부가 고분자 단량체인 글리시돌의 제조 등이 있다. 최근에는 리그닌의 구조 규명 및 폐리그닌의 화학적 전환을 통한 고부가화 연구에 집중하고 있다.

4. 전기화학적 유기화합물 합성

최근 복잡한 유기화합물을 선택적으로 만들기 위한 방법으로 전기화학을 도입하는 연구에 많은 관심이 쏠리고 있다. 전기화학적 유기합성의 가장 큰 장점 중 하나는 기존의 유기합성법에 비하여 비교적 낮은 온도와 압력에서도 카본-수소 결합을 활성화 시킬 수 있다는 점이다. 또한, 가해주는 전압에 따라 반응성을 조절할 수 있다는 점에서 다양한 종류의 유기화합물을 높은 선택도로 합성할 수 있다. 현재 본 연구실에서는 다양한 알릴 화합물의 전기화학적 산화반응 연구에 집중하고 있으며 특히, 반응 매개체를 도입하여 유기화학적 산화반응에 필요한 과전압을 낮춰 에너지 효율을 높이고자 한다. 궁극적으로는 전기화학적 수소생산 및 인공광합성의 산화극 반응으로써의 가능성도 모색하고자 한다.