고려대학교 “무기재료 및 분리반응 연구실” (최정규 교수)

연구실 개요

무기재료 및 분리반응 연구실 (Inorganic Materials for Separation and Reaction laboratory) 에서는 다공성 물질인 제올라이트의 물리·화학적 성질을 이해하고, 이를 바탕으로 실제 산업에서 사용할 수 있는 제올라이트 기반의 촉매, 흡착제 및 분리막 개발을 목표로 하고 있다. 제올라이트 기반 촉매의 경우, 대표적인 C1 가스인 메탄을 포함하여 다양한 반응물 (아세틸렌 또는 메탄올)로부터 부가가치가 높은 방향족 화합물을 제조할 수 있는 제올라이트 촉매 개발을 진행 중이다. 또한 자동차 배기가스 내에 존재하는 탄화수소를 효과적으로 흡착 및 산화 할 수 있는 제올라이트 기반 흡착제 연구도 진행 중이다. 촉매 및 흡착제 이외에도, 제올라이트의 특성을 활용하여 가스/가스 분리, 혼합물 분리, 및 수처리에 효과적인 제올라이트 분리막 연구를 진행하고 있으며, 분리막의 대면적화를 통한 scale-up 연구도 병행하여 실제 공정에 적용하고자 한다.

주요 연구내용 소개

1. C1 화합물 고부가 가치화를 위한 촉매개발

제올라이트의 균일한 기공크기로 인해 다양한 반응물로부터 (메탄, 아세틸렌, 메탄올 등) 고부가 방향족 화합물을 제조 할 수 있으며, 제올라이트의 물리·화학적 특성에 따라 생성물의 선택성을 달리하고 촉매의 안정성을 증진시킬 수 있다. 따라서 본 연구실에서는 제올라이트의 물리·화학적 특성에 대한 깊은 이해를 토대로 고부가 방향족 화합물을 효과적으로 제조 할 수 있는 제올라이트 기반 촉매 연구를 진행하고 있다. 특히, 다양한 그룹과 협업을 통해 아세틸렌으로부터 방향족 화합물을 제조하는데 높은 안정성을 갖는 계층구조 제올라이트 촉매를 개발하였으며(그림1 a), 제올라이트의 기공경로를 변화시켜 메탄올에서부터 방향족 화합물 제조 반응의 선택도를 조절하였다 (그림1 b). 이외에도 메탄으로부터 직접적으로 방향족 화합물을 제조를 위한 촉매도 연구 중에 있다.

2. 탄화수소 흡착/산화를 위한 흡착제 개발

대기오염물질을 포함하는 자동차 배기가스의 정화를 위해 삼원촉매 (TWC; Three-way catalyst) 혹은 디젤산화촉매(DOC; Diesel oxidation catalyst) 등이 사용된다. 하지만 자동차의 시동 직후에는 촉매층이 충분히 가열되지 않아 적절한 성능을 나타내지 못하며, 이에 따라 전체 탄화수소 배출량의 약 80%가 저온시동 구간에 배출된다. 따라서 삼원촉매 혹은 디젤산화촉매의 온도가 충분히 가열 될 때까지 저온시동 구간에서 배출되는 탄화수소를 효과적으로 흡착할 수 있는 탄화수소 흡착제에 대한 연구가 필요하다. 본 연구실에서는 제올라이트의 물리·화학적 특성에 변화를 주어 탄화수소 흡착성능에 미치는 영향을 조사하고 있다. 이와 더불어 제올라이트에 금속이온을 도입하여 흡착뿐만 아니라 흡착과 산화를 동시에 할 수 있는 저온시동 탄화수소 흡착제 개발을 진행하고 있다 (그림2).

3. 가스/화학물/수처리용 분리막 개발

제올라이트의 균일한 기공크기로 인해 분자간의 미세한 크기와 형태의 차이 따라 효과적으로 혼합물을 분리할 수 있다 (그림 3a). 본 연구실에서는 제올라이트의 분자체 효과를 기반으로 효율적인 CO2 포집, 자일렌 이성질체 (o-, m-, p-) 분리, 탈수 공정 등 다양한 화학공정에 사용될 수 있는 제올라이트 분리막 연구를 진행하고 있다. 이와 더불어 산업공정에서 요구되는 대용량 처리를 위해 제올라이트 분리막의 모듈화 연구를 진행하고 있으며, 이를 바탕으로 실제 산업공정에서 제올라이트 분리막의 실증가능성을 검증하고 있다 (그림 3b). 더 나아가 제올라이트 기반 촉매 및 분리막 연구에서 얻은 종합적인 이해를 바탕으로 탈수소 반응용 분리막 반응기에 대한 체계적인 연구를 진행하고자 한다 (그림 3c).

연구실 현황

무기재료 및 분리반응 연구실은 책임자인 최정규 교수를 포함하여 박사과정 학생 2명/석·박사통합과정 학생 9명 및 학·연협동과정생 6명으로 구성되어 있다. 2017년부터 Applied Catalysis B: Environmental, Angewandte Chemie, International Edition, Journal of Materials Chemistry A 등을 포함한 SCIE 저널에 논문 37건 게재하였다. 또한, 2018년부터 국내·외 특허 출원 50건 및 등록 17건 등 우수한 연구 실적을 올리고 있다. 본 연구실은 제올라이트의 물리·화학적 특성에 대한 깊은 이해를 바탕으로 제올라이트 촉매, 흡착제 및 분리막을 개발하는 연구들을 수행하고 있으며, 다양한 분야에 제올라이트를 활용하기 위해 연구를 활발히 진행하고 있다.