서울대 화학생물공학부 에너지 및 환경 촉매 연구실 (김도희 교수)

연구실 개요

최근 Shale gas 채굴 기술이 급속도로 발전함에 따라 석유의존성에서 탈피한 가스기반 화학 산업이 각광받고 있다. 이로 인해 전세계적으로 매장량이 풍부하고 가격경쟁력이 있는 메탄 가스를 반응물로 이용한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 서울대 화학생물공학부 에너지 및 환경 촉매 연구실 (Laboratory for Energy and Environmental Catalysis)에서는 이러한 메탄가스의 직접 전환을 통해 고부가가치 화합물인 BTX (Benzene, Toluene, and Xylene)를 생산하기 위한 촉매 공정 개발 연구를 진행하고 있다. 메탄을 이용한 BTX 제조 공정에는 형상선택성 (Shape selectivity)이 중요한 요인으로 작용하는데, 이러한 형상선택성을 지니고 있는 제올라이트 (Zeolite)에 다양한 전이금속 및 전이금속 활성상을 담지하여 촉매를 제조하고 있으며, 제올라이트의 기공구조를 조절하여 코크 저항성이 향상된 촉매를 제조하는 연구를 진행하고 있다. 또한, 공동반응물로 프로판을 도입하여 평형전환율의 개선을 통해 반응 활성의 향상과 저온 반응을 유도하여 경제성이 있는 반응시스템 확립을 목표로 하고 있다. 또한 본 연구실에서는 갈수록 엄격해지는 각종 환경 규제를 충족시키기 위한 환경 촉매를 연구하고 있다. 대표적으로 자동차 배기가스에 포함되어 나오는 NO_X를 줄이기 위한 Passive NO_X adsorber (PNA) 촉매 개발을 목표로 하고 있다. 보통 디젤 자동차에는 Urea-SCR, LNTs 등의 촉매 기술이 적용되어 배출되는 NO_X를 제거한다. 그러나 이러한 기술은 200 ℃ 이상의 고온에서는 우수한 NO_X 제거 효율을 보이지만, 그 이하의 저온 구간에서는 촉매의 활성화가 잘 되지 않아 NO_X 제거 효율이 떨어진다. 따라서 저온 구간에서 배출되는 NO_X를 흡착시킨 후, 고온에서 이를 탈착하여 배출하는 촉매 기술을 연구하고 있다.
다른 연구분야로는 바이오매스를 고부가가치화 하기 위한 연구도 진행하고 있다. 3세대 바이오매스인 해조류는 3면이 바다로 둘러싸인 우리나라 특성상 매우 풍부한 자원이다. 생장 속도가 빠르고 2세대 바이오매스와는 다르게 리그닌과 같은 난분해성 성분이 없으므로 지속 가능한 신재생 원료로 평가받는다. 그럼에도 불구하고 해조류 바이오매스의 전환 기술은 그 연구가 미비한 수준이다. 따라서 본 연구실에서는 해조류의 주 성분인 알긴산을 반응물로 하여 가수분해, 수소화, 탈산소 등을 통해 고부가가치 화합물을 생성하는 촉매 기술을 연구하고 있다.
그 외에도 본 연구실에서는 Selective catalytic reduction (SCR), 신규 제올라이트 합성, Hydrocarbon oxychlorination 등의 연구를 수행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. C1 가스 전환 기술 개발

1) 공동반응물로 프로판을 도입한 메탄의 직접 탈수소방향족화 반응을 통한 BTX 제조 촉매 기술 개발

본 연구실은 저부가가치의 메탄을 이용하여 활성화 (Activation) 및 올리고머화(Oligomerization)를 통해 BTX를 제조하는 촉매 기술 개발 연구를 진행하고 있다. 또한, 공동반응물로 프로판을 도입하여 직접 탈수소방향족화 반응의 엔탈피를 감소시켜 반응 온도를 낮추고, 평형전환율을 개선하여 고효율 촉매 기술 개발 및 반응 시스템 확립에 대한 연구를 진행하고 있다 [그림 1]. 촉매계로는 다양한 전이금속 활성상 기반 제올라이트 담지 촉매를 이용하여 진행하고 있으며, 20% 이상의 BTX 수율을 장시간 얻을 수 있는 촉매계를 개발하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다.

2) 제올라이트 기공구조 조절을 통한 코크저항성이 향상된 촉매 개발

본 연구실은 중형기공을 형성할 수 있는 입자 크기를 지닌 Carbon nanotube, carbon black, and polystyrene sphere 등을 주형물질로 도입하여 중형 기공이 포함된 제올라이트 촉매를 제조하는 연구를 진행하고 있다 [그림 2]. 중형기공이 포함된 제올라이트 촉매는 미세기공에 의한 형상선택성을 지님과 동시에 부가적인 중형기공의 형성으로 촉매 내 반응물 및 생성물의 확산이 향상되어 높은 반응 활성 및 코크안정성을 나타낼 수 있다.

2. NO _X 흡장 활성이 개선된 Pd/Zeolite PNA 촉매 개발

본 연구실은 저온 영역에서 NO_X를 보다 많이 흡장할 수 있는 Pd/Zeolite 계 제조를 목표로 연구를 진행하고 있다 [그림 4]. 다양한 Zeolite를 활용해 촉매를 제조하고 평가한 후, NO_X 흡장 활성이 좋은 촉매에 대해 Additive 및 Dopant를 도입해 NO_X 탈착 온도 등을 조절하는 연구를 수행하고 있다.
구체적으로는 내황성 및 NO_X 흡장 능력 개선을 위한 지지체 연구를 진행하고 있다. 내황성이 강한 Zr의 효과를 극대화하기 위해 다양한 비율의 Ce/Zr 담체를 적용하여 평가하고, 그 외 Core-shell 등의 내황성 증가를 위한 방법들을 적용하여 연구를 진행하고 있다. 또한 NO_X 흡장 능력 증가를 위해 다양한 Impurity 등을 활용하여 촉매를 제조하고 평가하고 있다. 실제 차량에 적용 가능한 저온 NO_X 흡장 촉매 개발이 최종 목표이다.

3. 알긴산 고부가가치화 촉매 기술 개발

해조류의 주 성분인 알긴산은 셀룰로오즈와 구조적으로 유사하다. 셀룰로오즈로부터 각종 고부가가치 화합물을 만드는 기술은 많은 연구 사례가 존재하는데, 따라서 구조가 유사한 알긴산으로도 유사한 물질들을 생성할 수 있을 것이라 판단된다. 이를 위해서는 β-1,4-글리코시드 결합의 선택적 분해가 필요하기 때문에, 이를 위한 Ni/Zeolite, Ru/HPA 등의 이원 촉매를 연구하고 있다. 구체적으로는 균일계 혹은 불균일계 산·염기 촉매를 사용하여, 알긴산의 수열 분해 반응을 통해 우론산, 푸르푸랄, 개미산, 젖산, 숙신산 등의 유기산이 생성됨을 확인하였다. 또한 불균일 귀금속 촉매를 이용한 수소화 반응을 통해 알긴산으로부터 소르비톨, 만니톨 등의 당 알코올이 생성됨을 최초로 보고하였다.
또한 이종금속을 활용해 이성질체 화합물을 선택적으로 생산하는 연구를 진행하고 있다. 알긴산은 이성질체 관계에 있는 두 우론산으로 단량체를 구성하고 있으므로, 이성질체 화합물들이 동시에 생산되어 생성물인 당 알코올의 분포가 다양하다. 따라서, 선택적으로 단일 당 알코올만을 생성하는 것이 중요하다. 당 또는 우론산 이성화 반응을 미루어 볼 때, 이들의 선택도는 이종금속을 활용해 조절이 가능할 것으로 생각된다. Sn, Mo 등의 전이금속을 이원기능 촉매에 접목한 이종금속-이원기능 촉매를 활용하면 중간생성체 혹은 생성물의 이성질체화 반응을 촉진 또는 억제하여 요구되는 당 알코올을 선택적으로 생성할 수 있을 것이다.

연구실 현황