서울대학교 “불균일촉매설계연구실” (강종헌 교수)

연구실 개요

제올라이트는 결정성 미세다공성 알루미노실리케이트계 분자체 소재로, 금속 및 금속산화물 촉매와 함께 화학산업의 기반을 이루는 주요 촉매소재이다. 제올라이트계 분자체는 1 nm 이하의 결정학적으로 잘 정의된 미세기공 구조를 가지고 있어서 강한 형상선택성(shape selectivity)을 보이며, 그 자체로 산촉매로 활용 가능하고, 열화학적으로 매우 안정하며, 산점량 조절이 가능하고, 금속 및 금속산화물 담체를 담지할 수 있어서 산업적으로 널리 사용되고 있다. 20세기 화학산업의 한 축을 지탱하여 온 전통적 촉매소재임에도 21세기 들어서도 제올라이트의 새로운 합성법과 그를 이용한 촉매공정 개발 사례는 전세계적으로 점점 더 많이 보고되고 있다. 그리고 탄소중립을 목적으로 하는 향후 촉매연구방향의 국제적 패러다임 하에서도 지속적으로 중추적인 역할을 할 것이 확실시되고 있다. 강종헌 교수의 불균일촉매설계 연구실은 다양한 유기구조유도체(organic structure-directing agent)합성과 최신 제올라이트계열 분자체 합성 및 상변이 기법, 축적된 노하우를 바탕으로 다양한 열화학적 촉매공정에서 고성능/장수명을 보장하고 산업화가 가능한 촉매개발 및 관련 원천기술 확보를 연구실의 주된 모토로 하여 연구를 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. C1 feed 전환을 위한 제올라이트계열 촉매 설계

메탄올 및 메탄 등의 C1 feed를 올레핀이나 BTX로 전환하는 제올라이트 기반 촉매를 설계/합성하는 연구를 진행하고 있다. 강종헌 교수는 메탄올을 에틸렌이나 프로필렌과 같은 경질 올레핀으로 전환하는 methanol-to-olefins (MTO) 반응에서 촉매의 결정구조로부터 생성물의 선택도 분포를 바로 예측할 수 있는 형상선택성 이론인 새장고리이론(cage-defining ring theory)을 창안하여 발표하였으며, 셰일가스로부터 BTX제조를 위한 촉매기술 및 연속공정 개발 과제에도 공동연구자로서 활발히 참여하고 있다. 향후 CO2 valorization, 대체연료 생산 등 탄소중립에 대응할 수 있는 차세대 불균일촉매개발로 확장할 예정이다.

2. 제올라이트계열 분자체 합성 및 결정상조작

제올라이트 및 포스페이트계열 분자체에 대하여 정교한 합성기술 및 축적된 노하우를 바탕으로 다양한 분자체를 합성하며, 원소조성, 결함분포, 세공구조를 조작하고, 신규제올라이트를 발굴 및 합성법을 개발하는 연구 또한 활발히 진행하고 있다. 대표적으로 특대기공 분자체의 합성, 토포택틱 상변환, 카이랄 제올라이트의 합성 등 제올라이트계열 분자체 합성 분야에서 새롭고 가장 도전적인 분야에서 주목할만한 성과를 올려 왔다. 이를 기반으로 산업화/대량합성이 가능한 제올라이트 합성법 및 공정을 개발하여 촉매국산화에 궁극적으로 기여하는 것을 이상으로 삼고 있다.

연구실 현황

불균일촉매설계연구실은 2021년 1학기에 본격적으로 오픈, 학생연구원을 모집한 신생연구실로, 현재 강종헌 교수를 포함하여 석사과정 1명, 학부연구생 1명으로 총 3명으로 구성되어 있다. 올해 9월부로 박사과정 1명, 석박사과정 1명, 석사과정 1명이 추가 합류하는 등 제올라이트를 포함한 불균일촉매의 실험적 설계, 합성 및 촉매응용분야에서 선두 그룹으로 도약하는 도상에 있다.