한국화학연구원 “그린탄소촉매연구센터” (홍도영 박사)

연구실 개요

한국화학연구원 그린탄소촉매연구센터(Green Carbon Catalysis Center)에서는 비전통적인 화학원료로서 메탄(methane), 이산화탄소(Carbon dioxide) 등의 C1가스와 바이오매스 유래화합물로부터 촉매반응을 통해 고부가 화합물을 제조하기 위한 균일 및 불균일 촉매를 개발하고 있다. 이를 위해 다양한 종류의 다공성 나노세공체를 설계 및 합성하고 이를 기능화 시켜 촉매뿐만 아니라 흡착·분리·정제 소재로도 적용하고 있다. 본 연구팀은 C1가스리파이너리 사업을 통해 메탄의 탈수소방향족화반응(Methane dehydroaromatization, MDA)에 있어 바이오매스뿐만 아니라 C1가스 전환반응으로부터 유래 가능한 유기산화물을 메탄과 동시 반응시켜 고부가 방향족화합물(벤젠, 톨루엔, 자일렌), 특히 자일렌을 선택적으로 제조할 수 있는 촉매시스템을 개발하는 연구를 진행하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. 메탄 탈수소방향족화 반응 촉매 개발

메탄의 직접전환반응에 있어서 가장 상업화 가능성이 높다고 알려진 비산화성 MDA 반응은 선택적으로 BTX를 제조할 수 있고, 공정개발을 통해 고순도의 수소를 확보할 수 있기 때문에 활발한 연구가 수행되고 있다. 특히 기존에 보고된 MDA 연구 결과들을 기초로 상업화 가능성을 제시한 경제성 분석 결과들이 최근 보고되면서 MDA 반응에 대한 연구의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 그러나 금속담지 제올라이트 촉매를 이용한 MDA 반응의 단점으로 지적되고 있는 낮은 열역학적 평형 전환율 및 빠른 촉매 비활성화 문제는 MDA 반응공정 상업화의 가장 큰 허들로 작용하고 있다.

1) 고안정성 및 고BTX 선택성 촉매 개발

MDA 반응 촉매의 비활성화는 급격한 Coke 생성이 주요 원인으로서 Coke의 종류 및 생성속도는 산점 및 금속 활성성분의 위치, 분산도, 구조 등에 의해 결정된다. 또한 Coke는 생성된 방향족화합물의 촉매 내 체류 시간에 의해서도 영향을 받는다. 이에 본 연구팀에서는 제올라이트의 기능화를 통해 산점 및 금속 활성성분 위치제어를 통해 코크 생성을 억제하고, 제올라이트의 기공성 제어, 두께 및 크기 조절을 통해 생성된 방향족화합물의 촉매 내 체류시간을 제어함으로써 Coke 생성을 최소화할 뿐만 아니라 높은 BTX 선택성을 갖는 촉매를 개발하고 있다.

2) 메탄과 유기산화물 동시전환용 저온활성 촉매 개발

메탄의 탈수소화반응은 흡열반응(Endothermic reaction)이기 때문에 매우 높은 에너지의 공급이 필요하지만, 유기산화물, 특히 바이오매스 유래 화합물의 수첨탈산소반응(Hydrodeoxygenation)은 발열반응(Exothermic reaction)으로서 두 반응은 서로 반대의 반응특성을 갖는다고 할 수 있다. 그러나 만일 이 두 반응을 촉매상에서 동시에 이루어지게 할 수 있다면 열중립반응(Thermo-neutral reaction)을 통해 에너지효율 개선 및 반응평형 개선을 기대할 수 있다. 이에 본 연구팀에서는 두 반응이 한 촉매 상에서 동시에 일어날 수 있는 촉매 시스템을 개발하고 있다.

2. 다공성 소재를 이용한 이동수소화반응 촉매 개발

바이오매스 유래화합물의 고부가화를 위한 대표적인 반응 중 하나인 액상 수소화반응은 반응용매에 대한 수소의 용해도에 의해 큰 영향을 받는다. 이를 위해 대부분의 액상 수소화반응은 고온, 고압 조건에서 수행되는 것이 일반적이다. 그러나 최근 바이오 알코올이 액상 수소 공급원으로서 사용이 가능하며 비귀금속계 촉매 상에서 수소화 활성을 갖는다는 것이 보고된바 있다. 이에 본 연구팀에서는 친환경 유기용매를 비롯하여 다양한 고부가 화합물을 제조하기 위한 수소화 반응에 바이오 알코올을 사용할 수 있는 촉매 시스템을 개발하고 있으며, 특히 MOF_s의 기능화를 통해 고활성, 고선택성을 갖는 나노촉매 시스템을 개발하고 있다.

3. 다공성 소재를 이용한 유해가스 제거용 흡착제 개발

MOF_s는 무기클러스터와 유기리간드에 의해 3차원 골격구조를 형성하고 있고, 나노세공에서 메조세공구조까지 다양한 세공특성을 갖고 있으며 현재까지 개발된 물질 가운데 가장 표면적이 높은 물질 중 하나이다. 특히 MOF_s는 표면적이 최대 6500 m²/g 이상으로 제올라이트 대비 3-15배 이상의 거대 표면적, 세공부피 및 흡착량을 보유하고 있다. 또한 불포화 금속이온 자리가 존재하기 때문에 반응성과 흡착 선택성의 근원이 될 수 있으며, 다양한 기능화를 통해 복합 흡착특성을 갖는 흡착제 및 촉매로서 사용할 수 있다. 본 연구팀에서는 다양한 구조의 MOF를 설계 및 합성하여 흡착제 응용연구를 수행하고 있으며, 기능화, 동형치환(isomorphous substitution), 복합화 등을 통하여 VOCs, NO_x, SO_x, 독성산업물질, 화학작용제, 방사성가스 등 다양한 유해가스를 효과적으로 제거할 수 있는 흡착제를 개발하고 있다.

연구실 현황