한국화학연구원 채호정 박사님 연구실

연구실 개요

한국화학연구원 탄소자원화 연구소 CO ₂ 에너지벡터 연구센터(CO₂ Energy Vector Research Center)에서는 이산화탄소와 메탄 등의 C1 가스와 바이오에탄올 및 글리세롤 등의 저급 알코올을 활용한 화학적 전환뿐만 아니라 전기화학적 전환을 통한 고부가 화학제품을 생산하는 기술 개발을 수행하고 있으며, 최근에는 두 기술을 융합한 연구를 수행하고 있다. 특히 산업 및 발전에서 발생하는 부생·온실가스인 C1 가스 (이산화탄소 및 메탄 등) 중심의 화학전환 및 신재생에너지 활용 전환에 대한 기술 개발과 함께 최근 국가적 이슈로 떠오른 미세먼지 문제 대응을 위한 SCR 탈질 촉매 시스템 및 신공정 기술 개발을 목표로 활발한 연구를 수행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. 화학 촉매

1) 메탄 전환 촉매 개발

메탄과 같은 C1 가스는 화학적 전환을 통해 기초 화학원료나 수송용 원료로 활용될 수 있다는 점에서 귀중한 에너지 자원이며 직접 전환기술 개발을 통해 C1 가스로 인해 유발될 수 있는 환경 기후 변화에도 대응할 수 있다. 메탄가스의 직접 전환은 고에너지를 필요로 하며 활성이 높은 촉매 개발이 필수적이다. 특히 메탄의 낮은 반응성으로 인해 대부분 높은 온도에서 반응이 진행되나 이로 인해 생성물의 선택성 제어가 어렵고 촉매 비활성화가 빠르게 진행되는 문제점이 있다. 본 연구실에서는 메조포러스 제올라이트 및 복합 금속산화물 촉매를 제조하고 이를 활용하여 비교적 낮은 온도에서 메탄의 선택적 할로겐화 반응 효율을 높일 수있는 불균일계 촉매 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다. 또한 이와 관련하여 국내 염소기반 산업에서 클로르알칼리 공정 등을 통해 과잉으로 생산되고 있는 환경오염물질인 염소 처리의 문제 해결에 메탄 염소화 반응을 활용할 수 있으며 최근 염화메탄 생산 및 활용 기업인 롯데정밀화학과 전략협의체를 구성하여 메탄 염소화 기술에 대한 협력연구를 통해 기술이전 및 조기 상용화를 위한 노력을 기울이고 있다.

2) 올레핀 제조용 촉매 개발

본 연구실에서는 메탄올 및 메틸클로라이드로부터 경질올레핀 제조용 촉매 소재를 개발하는 연구를 수행하고 있으며, 특히 제올라이트와 SAPO 계열 촉매의 산 촉매 특성 개질과 유동층 반응기용 촉매 개발 및 반응공정 개발을 통해 높은 전환율 조건에서 긴 촉매 수명과 경질올레핀(C₂H₄, C₃H₆, etc.)에 대한 높은 선택도를 가진 촉매 개발 연구를 수행하고 있다. 특히 반응물의 활성점에 대한 친화도 조절을 통한 전환율의 극대화, 촉매의 결정 모양 및 크기, 세공 크기 조절을 통한 촉매 수명의 극대화, 생성물 형상 선택성 조절을 통한 경질 올레핀 선택도의 극대화를 목표로 연구를 진행하고 있다. 또한 상용화를 위한 다양한 촉매 성형 및 유동층 반응기 개발 기술에 대한 경험과 인프라를 확보하고 있어 향후 이를 활용하여 상용화 가능 기술 개발을 추진하고자 한다.

3) 바이오 에탄올 활용 부타디엔 및 합성연료 제조

본 연구실에서는 바이오매스의 발효를 통해 얻은 바이오 에탄올을 활용한 촉매 전환공정 기술을 통해 방향족 및 부타디엔 제조 기술을 개발하였으며, 바이오 에탄올의 탈수공정 및 올레핀의 올리고머화 반응 후 수소화 반응을 통해 항공유 급의 합성연료를 제조하는 연구를 수행하고 있다. 이를 위해 탈수화 반응용 촉매 개발, 올리고머화 촉매 개량, 고효율 반응기 개발 및 촉매 성형 기술 개발, Bench 공정 및 상용화를 위한 Pilot 규모 설계 연구를 진행하고 있다.

4) 미세먼지 저감용 SCR 촉매시스템 및 공정기술 개발

본 연구실에서는 화력발전소 등의 고정오염원에서 나오는 질소산화물 처리를 위해 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매환원(SCR; Selective Catalytic Reduction) 공정의 효율 개선을 위한 연구로 증진제 활용을 통한 Fast-SCR 공정기술 및 Fas-SCR 유도 촉매 기술에 대한 개발 연구를 수행하고 있다. 이를 위해 최적 증진제 개발, 증진제 및 환원제 공급공정 및 시스템 개발, 저온 반응용 Fast-SCR 유도 촉매 개발 및 내구성 증진을 위한 촉매 표면 개질 연구 등을 진행하고 있다.

2. 전기화학 촉매

1) 전기화학적 CO ₂ 및 알코올 전환 기술 개발

본 연구실에서는 전극과 전해질로 구성된 전해 시스템을 이용해 온실가스인 이산화탄소를 석유화학 공업의 원료인 메탄, 에틸렌, 에탄올, 일산화탄소, 포름산 등의 유용한 자원으로 전환하는 기술에 대한 연구를 수행하고 있으며 이와 함께 미활용 알코올(Glycerol, Glucose, etc.)을 고부가가치 화합물(Glyceraldehyde, Glyceric acid, Lactic acid, etc.)로 전환시키는 전기화학적 촉매 산화 공정 개발 연구를 수행하고 있다. 이를 위해 전극촉매 설계 및 반응 시스템 최적화, 전기화학적 전환기술의 효율성을 높이는 메커니즘에 대한 연구가 진행 중에 있다.

2) 수전해 및 HCl 전기분해 기술 개발

본 연구실에서는 전기화학 시스템을 기반으로 수소 및 산소를 제조하는 수전해 반응 기술 및 클로린 재생 공정을 위한 HCl 전기분해 기술에 대한 개발 연구도 수행하고 있다. 기존 귀금속 계열의 촉매 사용량을 저감하거나 대체하기 위해 나노구조의 금속산화물 촉매 제조, ALD 촉매 이용 및 가스 발생에 최적 구조를 가진 전극구조 제어를 통한 신규 촉매 설계 및 반응 메커니즘 규명 연구를 진행하고 있다.

연구실 현황