KAIST “Advanced Materials Simulation Group” (정유성 교수)

연구실 개요

카이스트 정유성 교수님 연구실 (Advanced Materials Simulation Group)은 계산화학적 방법론 개발과 데이타 기반 연구를 통해 물질을 이해하고 설계하는 연구를 수행하는 계산화학 연구그룹이다. 컴퓨터의 하드웨어 및 계산 알고리즘이 눈부시게 발전함에 따라 양자계산과 데이타과학을 통해 물질의 심도 깊은 이해뿐만 아니라 실험에 앞서 여러 물질을 설계하고 제안하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 현재 본 연구실에서는C1 가스, 그 중에서도 메탄(Methane)을 활성화시키고 유용한 화학물질(메탄올(Methanol), 에탄(ethane) 등)로 전환하기 위한 새로운 촉매 개발을 진행하고 있다. 메탄은 천연 가스의 대부분을 구성하며 미국, 캐나다 부근에 대량으로 매장되어 있는 셰일 가스 또한 대부분 메탄으로 이루어져 있다. 기존의 메탄 전환 반응은 수백도의 고온에서 진행되며 많은 경제적 및 에너지자원이 요구된다. 이런 점에 착안하여 본 연구실은 저온에서 메탄을 활성화시키며 여러 고부가가치 화합물로 높은 효율로 전환시키는 촉매 개발에 힘을 쏟고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 메탈 옥사이드 기반 단원자 촉매 개발

메탄은 열역학적으로 매우 안정한 구조를 가지고 있기 때문에 메탄을 고부가가치화합물로 전환하기 위해서는 높은 온도와 압력 등의 격한 조건이 필요하다.

메탄 전환 반응의 효율성을 높이기 위해서는 이런 격한 반응조건에서 벗어나 저온에서도 메탄을 활성화시킬 수 있는 촉매가 필요하다. 촉매반응은 일반적으로 여러 반응 중간체의 흡착 세기가 스케일링 관계를 가지고 있어, 가질 수 있는 활성에 한계가 있다. 본 연구실은 메탄의 저온 직접전환을 위해 기존 촉매들의 스케일링 관계를 깨고 보다 높은 활성을 가지는 촉매개발을 위해 단원자 촉매에 주목하고 있다. 본 연구실에서는 지지체 원자들과 단원자 촉매의 강한 상호작용으로 인해 d-오비탈 전자구조가 상당히 변하였고, 이를 통해 이산화탄소 환원 반응에서의 스케일링 관계를 깰 수 있음을 보고하였다. [그림 1] 이를 활용하여 메탄 활성 반응에서도 메탈 옥사이드 기반의 단원자 촉매를 이용해 저온에서도 메탄을 활성화하는 혁신적인 촉매 개발에 진력하고 있다. 메탈 옥사이드는 메탄 활성화 촉매 중 하나로 알려져 있으며 그림 2와 같이 표면의 O 원자가 메탄의 C-H 결합을 활성화시키며 해리를 일으킨다. 이때 메탈 옥사이드를 구성하는 기존 금속(M2) 외에 다른 전이 금속 원자(M1)을 도핑한 단원자 촉매를 이용해 촉매의 메탄 흡착력과 이웃한 O 원자의 반응성을 바꾸고 이를 통해 촉매의 메탄 활성화 능력을 향상을 꾀하고 있다.

2. 탄소 지지체 기반 단원자 촉매 개발

그래핀 및 그래핀과 같은 여러 2D 탄소 물질들은 유용한 촉매 지지체로 잘 알려져 있다. 특히, 탄소 물질에서 결함 혹은 질소 원자가 도핑된 자리는 전이 금속 단원자를 강하게 결합시켜, 단원자 촉매의 지지체로 유용하다. 본 연구는 그래핀 및 C3N4와 같은 여러 탄소 물질 기반의 단원자 촉매를 설계하고 이러한 촉매에서의 메탄 활성화 반응에 대한 촉매 활성을 스크리닝할 것이다. 이 결과를 통해 촉매 설계에 대한 이론적인 규칙을 제공할 뿐만 아니라, 유용한 촉매를 제안하고자 한다.

연구실 현황