중앙대학교 윤성호 교수 연구실

연구실 개요

무기화학연구실 (Inorganic Chemistry Laboratory)에서는 대표적인 온실가스인 C1 가스인 메탄(CH₄), 일산화탄소(CO), 그리고 이산화탄소(CO₂)를 화학적 방법으로 유용한 화학물질로 전환하기 위한 화학 촉매 및 공정 개발 연구를 진행하고 있다. 메탄 가스 전환의 경우 자연계에 존재하는 탄소와 에너지의 유일한 원천으로서 메탄을 대사시키는 원핵 생물의 중요 효소인 methane monooxygenase(MMO)의 철(Fe)를 포함하는 활성화 자리를 연구하고 있다. 활성화 자리의 분자구조와 유사한 모델화학종을 합성하고 이를 비균질화하여 자연계의 효소와 유사한 촉매 기능을 구현하려는 연구를 수행하고 있다. CO 전환 연구의 경우, 에테르 화학종에 CO를 첨가하여 탄소를 하나 더 가지는 화학종을 원활히 생산할 수 있는 유기금속 촉매를 개발하고 있다. 더 나아가 개발된 균질계 촉매를 용이한 방법으로 다공성의 비균질화 촉매로 전환하여 반응 후 생성물에서 촉매를 손 쉽게 분리할 수 있도록 하는 연구를 확장하여 추진 중에 있다. 마지막으로 CO₂ 전환연구에서는 수소화를 통하여 이산화탄소를 포름산, 포름알데히드, 메탄올, 옥살산, 및 에틸렌 글라이콜(EG)등으로 전환하는 화학촉매 및 공정을 개발하는 중이다.

주요 연구내용 소개

1. 메탄 전환 촉매 및 공정 연구

메탄 전환 관련 연구로는 크게 모사촉매의 구현과 간접적 메탄 전환 공정을 연구하는 분야로 이원적으로 나누어 추진하고 있다. 먼저 모사촉매의 연구에서는 자연계의 MMO의 촉매 활성화 자리에 존재하는 Dinuclear Iron Cluster의 구조 및 기능을 모사하는 배위화학종을 합성하고 이들의 산화 및 환원 반응에서 일어나는 특징적인 중간체들을 이해하는 기초연구를 추진하고 있다. 반면 메탄은 CO₂와 4H₂로 포함하는 가스로 전환할 수 있으며 추가로 3당량의 이산화탄소를 추가하여 4당량의 포름산으로 완전 전환할 수 있다. 메탄의 간접적 전환 방법이지만 효과적 자원화 방법으로 고려하고 있으며 관련한 실험실 규모의 실증화 연구를 진행하고 있다.

2. CO 전환 촉매 연구

세일(Shale) 가스를 이용한 Ethane Cracking Center(ECC)가 활성화 될 것으로 기대된다. 이를 통하여 풍부하게 공급될 Ethylene 활용화 방법중의 하나로 Ethylene oxide를 카보닐화하여 아크릴산 전구체인 Propiolactone을 생성하는 것을 고려할 수 있다. 이는 Proplyene의 부분 산화를 통한 아크릴산 생산 방법의 대체할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 카보닐화 과정의 촉매를 비균질화 하여 안정성 및 분리 공정을 단순화를 추진하기 위한 촉매 및 공정 연구를 추진하고 있다.

3. CO₂ 전환 촉매 연구

대표적이 온실가스인 이산화탄소를 수소화하여 포름산, 포름알데히드, 메탄올등의 고부가가화 C1 화학종을 생산할 수 있다. 다만 반응물의 수소의 가격과 생성물의 가격을 고려할 때 포름산 생성 이산화탄소 전화 과정은 경제성을 확보할 수 있으며 시장에 진입할 수 있을 것으로 판단되고 있다. 이러한 수소화 과정에는 귀금속 촉매를 필요로 하는데 본 연구실에서는 장수명 고활성 비균질계 다공성 촉매를 개발하고 이를 이용한 연속 공정을 연구하고 있다. 또한 생산되는 포름산 유도체로부터 포름알데히드 및 에틸렌 글라이콜 생성 Downstream 촉매공정 역시 개발을 추진하고 있다.

연구실 현황