포항공과대학교 “계산촉매 및 첨단소재설계 연구실” (한정우 교수)

연구실 개요

계산촉매 및 첨단소재설계 연구실 (Computational Catalysis and Emerging Materials Laboratory)에서는 양자역학에 기반한 제일원리(first-principle)계산 기법인 밀도범함수이론 (density functional theory, DFT)을 비롯한 계산화학적 방법론을 이용하여 신촉매와 첨단 소재를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 또한, 고성능의 첨단 소재를 이론적으로 예측해내는 데 그치지 않고 소재 합성, 특성 분석 및 성능 실험을 통해 예측된 성능의 검증도 수행하고 있다. 본 연구실에서는 C1 가스 전환 연구, 고체산화물 연료전지용 전극설계, 액상유기수소운반체 개선, 자동차 배기가스 정화용 저온활성 촉매 개발과 단일원자 촉매 연구 등의 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. C1 전환 가스 촉매

1) 메탄 전환용 제올라이트 촉매 메커니즘 규명 및 고활성 촉매 예측
본 연구실에서는 이온 교환 MOR이나 ZSN-13 등의 제올라이트를 기반으로 하여 메탄을 메탄올로 직접 전환하는 반응에 대해 계산화학적으로 접근하고 있다. 스팀 또는 액상 분위기, Si/Al 비율, Cu/Al 비율 및 Brönsted acid 사이트 등의 실험적 조건을 반영한 제올라이트 활성종 모델을 설계하고 (그림 1), 메탄올 생성과 이산화탄소 생성 단계에 대한 에너지를 조사함으로써 메탄올 생성도 및 선택도 향상 원인을 해석할 수 있으며, 더 나아가 고활성 촉매를 설계하는데 이론적인 바탕을 제공한다.

2) DBD 플라즈마 환경에서 메탄 이량화 반응 전산모사
또한, 본 연구실은 TiO2 물질에서 도펀트에 따른 메탄 이량화 반응의 메커니즘과 촉매 특성을 연구하고 있다. 티타늄과 같은 주기의 전이금속을 도펀트로 사용할 경우 메탄 이량화 반응의 활성 인자가 되는 산소 공공 형성 에너지를 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 산소 공공 형성 에너지에 따라서 메탄 이량화 반응의 각 단계의 반응 에너지와 활성화 에너지를 조절할 수 있음을 알 수 있었다. 더 나아가 메탄 이량화 반응의 촉매 성능을 정량적으로 연구하기 위해 직접 DBD 플라즈마 환경에 대한 전산모사를 진행하였으며, 이를 이용해 모델 촉매에서 도펀트에 따른 메탄 전환률을 예측할 수 있었다(그림 2).

2. 고체산화물 연료전지용 전극설계

고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell, SOFC)는 타 연료전지 시스템에 비해 에너지 변환효율이 뛰어날 뿐만 아니라 탄화수소계 연료와 달리 산소의 산화·환원 반응 특성을 활용하기 때문에 친환경적인 에너지원으로 각광받고 있다. 또한 SOFC는 전극과 전해질이 모두 고체이므로 전지안정성이 좋고 800 ℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 타 발전소의 폐열을 재활용하여 에너지 저장 및 변환하기에 용이하다. 하지만 이 고온의 작동조건으로 인해 전극의 안정성 및 성능이 저하될 수도 있어 이를 개선하는 것이 SOFC 상용화의 가장 큰 숙제이다.
본 연구실에서는 DFT 계산을 이용하여 SOFC의 양극 (cathode) 및 음극 (anode)의 안정성과 전극 성능을 개선하기위한 연구를 진행하고 있다. 양극에 대해서는 안정성 감소의 주요 원인인 페로브스카이트 (perovskite, ABO3) 양극재료에서 A-site 양이온이 석출되는 현상의 원인을 규명하고 이를 억제하기 위한 연구를 수행중이며, 음극에 대해서는 산화·환원 조건에 따른 자발적 나노입자 형성 현상인 엑솔루션 (exsolution)을 활용한 고성능·고안정성의 음극 설계를 위한 연구를 수행하고 있다(그림 3).

3. 액상유기수소운반체 (LOHC) 개선 연구

최근 극심한 환경오염 문제로 인해 지속 가능한 친환경 에너지원인 수소 에너지에 대한 관심이 전세계적으로 커지고 있다. 특히, 수소 저장 기술은 아직 초고압 혹은 초저온의 극한 조건의 반응기를 사용해야만하는 수준에 머물러 있다. 이를 극복하기 위해 고안된 방법이 유기물기반의 화합물에 대한 수소화/탈수소화 가역반응을 이용하여 수소를 저장 및 방출하는 방법이다.  본 연구실에서는 이 액상유기수소운반체 (liquid organic hydrogen carriers, LOHC) 시스템의 성능을 개선하기 위해 LOHC 물질 자체의 성능을 개선하는 것과 수소화/탈수소화 촉매 성능을 개선하는 두 가지 방향으로 연구를 진행하고 있다.  LOHC 물질의 성능을 평가하는 지표로는 1 몰의 수소를 방출하기 위해 필요한 열역학적 에너지인 탈수소화 엔탈피 (dehydrogenation enthalpy)와 분자 하나에서 최대로 방출할 수 있는 수소의 양을 질량비로 나타내는 이론적 수소저장능력(hydrogen storage capacity)이 있는데, 이 두 요소는 작용기의 도입 (-NH2,-OH, -CH3 등)과 이종원자의 치환 (N, O, P 등)을 통해 조절할 수 있다. 따라서 본 연구실은 계산화학적으로 두 성능 지표를 예측하여 낮은 탈수소화 엔탈피와 높은 수소저장능력을 갖는 물질을 찾기 위한 대규모분자 스크리닝을 진행하고 있으며, 현재 약 1600종의 화학종을 조사하여 고성능의 LOHC물질을 탐색 중에 있다. 또한 작용기의 도입과 이종원자의 치환이 해당 LOHC 물질에 주는 영향을 분석하여 추후 LOHC 물질 선정에 지표 역할을 할 수 있는 연구를 수행 중이다. (그림 4)

4. 자동차 배기가스 정화용 저온활성 촉매 개발

자동차 배기가스는 대기오염의 주범으로 직접 심각한 오염을 일으키기도 하지만, 미세먼지와 같은 2차 대기오염을 유발하기도 한다. 특히, 일산화탄소 (CO) 는 그 배출량의 대부분이 엔진이 충분히 가열되기 전인 저온 시동 (cold start) 조건에서 배출되기 때문에 저온 작동 촉매의 개발이 중요하다. 그러나 저온에서 배기가스를 줄일 수 있는 고효율의 촉매를 개발하는 일은 시간과 비용측면에서 많은 어려움이 있다. 따라서, 본 연구실은 이를 극복하기 위해 계산화학에 기반한 이론적 분석과 자체적인 실험적 검증을 동시에 운용하여 이론적인 촉매 설계부터 합성 및 검증에 이르는 체계적인 촉매 개발 연구를 진행하고 있다. 저온조건에서 일산화탄소를 산화시키기 위해서는 흡착된 일산화탄소에 산소를 공급하는 것이 중요하기 때문에 금속 산화물 촉매의 환원성 (reducibility)을 개선하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 서로 다른 두 가지 금속의 장점과 시너지 효과를 동시에 취할 수 있는 이중 격자 치환 (co-doping)방법을 도입하고 DFT로 계산한 산소공공형성 에너지 (oxygen vacancy formation energy)를 성능 인자로 삼아 스크리닝 및 체계적인 촉매 설계를 진행하였다. 그 결과, 이전에 보고되지 않은 저온활성∙고안정성의 우수한 촉매를 개발할 수 있었다. 또한, 본 연구실은 환원성이 높은 촉매를 지지체 (support)로 활용한 로딩 시스템(loading system)을 통해 더욱 개선된 고성능·고안정성 촉매 설계를 추가로 수행하고 있다. (그림 5)

5. 단일원자촉매 연구

단일원자촉매는 하나의 원자가 지지체 위에 담지된 촉매로, 백금과 같은 값비싼 촉매의 한계를 극복 할 수 있는 촉매로 각광받고있다. 또한, 앙상블 자리(ensemble site)의 부재로기존 촉매와는 다른 흡착 양상 및 메커니즘을 가지기 때문에 촉매의 활성과 반응물의 선택도를 조절할 수 있다. 따라서 가격 절감 뿐 아니라 기존 촉매에서의 한계를 뛰어넘는 활성을 가질 수 있기때문에 단일원자촉매를 설계하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.  본 연구실에서는 단일원자촉매를 설계하기 위하여, 이론적 계산을 통해 충분한 데이터베이스를 확보하고 안정성, 활성을 스크리닝 한 후, 선별된 후보군에 대하여 실험검증을 하는 체계적인 연구 시스템을 구축하였다. 특히, 지지체의 단일금속 종류와 S, N, B, O 등의 p 블록 원소 (p-block element)들을 바꿈으로써 p 오비탈과 d 오비탈의 혼성화 (hybridization)가 만들어낼 수 있는 독특한 전자 구조 특성을 알아보기 위하여 계산 연구를 활발히 진행하고 있다. 이러한 연구결과는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR), 수소 생성 반응 (hydrogen reduction reaction, HER), 이산화탄소 환원 반응 (carbon dioxide reduction reaction, CDRR) 등의 전기화학반응용 촉매 설계에 이용될 수 있다.

연구실 현황

계산촉매 및 첨단소재설계 연구실은 한정우 교수님을 비롯하여 연구교수 1명, 박사후 연구원 3명, 연구원 1명, 박사과정 학생 10명, 석/박사 통합과정 학생 6명, 학부연구생 4명으로 총 25명의 실원으로 구성되어 있다. 최근 5년 간, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Joule, Nat. Commun., Sci. Adv., JACS, Angew. Chem. 등의 high-profile 저널을 포함한 SCI 급 논문 100여건 게재, 특허출원 6건 및 등록 2건 등의 주목할 만한 연구 실적을 올리고 있다. 한정우 교수님의 지도하에 계산화학에서 실험적 검증을 동시에 진행하여 국내외 관련 연구 분야의 선도 그룹으로 나아가고 있다.