고려대학교 “촉매 및 반응공학 연구실” (이관영 교수님)

연구실 개요

고려대학교 촉매 및 반응공학 연구실 (Catalysis & Reaction Engineering Laboratory; http://catalysis.korea.ac.kr)에서는 화학반응 활성을 향상시키기 위해 촉매의 구조, 물성, 활성과의 상관관계를 활용하여 촉매를 설계, 제조하고 개발하여 친환경 촉매, 화학제품 생산 촉매 및 수소 저장 시스템에 적극적으로 응용하는 연구를 진행하고 있다.
특히, 본 연구실에서는 셰일 혁명 이후 풍부한 자원량과 저렴한 가격으로 인해 미래 자원으로 주목받는 셰일가스 및 천연가스를 직접 전환하여 다양한 고부가가치 화합물을 합성하는 촉매 반응 시스템에 대한 연구를 수행하고 있다. 이는, 메탄, 에탄, 그리고 프로판으로 구성된 모사 천연가스를 직접 전환하여 올레핀 및 방향족 화합물의 고부가가치 화합물을 합성하는 공정을 의미한다. 생성물의 선택도(Selectivity) 및 수율(Yield)에 영향을 미치는 제올라이트(Zeolite) 촉매에 전이금속을 활용한 최적의 촉매를 개발하여 고수율의 고부가가치 화합물을 생산할 수 있는 불균일계 촉매를 개발하고자 한다. 또한, 본 반응의 특성상 반응과 동시에 비활성화되는 촉매의 수명을 장기화하기 위한 최적의 재생 조건을 찾는 연구를 통하여 장시간의 고부가가치 화합물 생산을 가능하게 하고자 한다.

주요 연구내용 소개

1. 천연가스의 직접 전환을 위한 불균일계 촉매 개발

1) 메탄의 직접 탈수소방향족화 반응을 통한 올레핀 및 방향족 화합물의 생산
풍부한 셰일가스 및 천연가스의 조성 대부분을 이루는 메탄을 직접 전환하여 고부가가치 화합물을 합성하는 메탄 탈수소방향족화 반응 (Methane dehydroaromatization, MDA)에 대한 연구를 수행하고 있다. [그림 1]

2) 천연가스의 직접 탈수소방향족화 반응으로 비활성화된 촉매의 재생 기술 개발
특히 공동반응물로 천연가스의 조성을 모사하여 에탄과 프로판을 동시 첨가한 모사 천연가스를 활용하여 평형전환율을 높이고 반응온도를 낮춤으로 직접 탈수소방향족화 반응의 생산물 수율을 높였으며 이러한 반응 과정의 부반응으로 나타나는 코크 침적으로 인해 비활성화된 촉매를 재생하기 위한 재생 조건에 대한 연구를 진행하고 있다. [그림 2] 산화 가스 및 환원 가스를 이용하여 비활성화된 촉매를 최적의 조건으로 재생하여 촉매 수명을 장기화할 수 있으며, 최고 수율의 80%를 장시간 (3일 이상) 얻을 수 있는 최적 재생 조건의 개발을 목표로 연구를 수행하고 있다.

3) 제올라이트 구조의 framework 변형을 통한 반응성이 향상된 촉매 개발
메탄 직접 탈수소방향족화의 촉매로 사용되는 제올라이트는 일정한 크기의 pore를 가지는 구조적특성으로 인한 분자체 효과 및 산점을 이용하여 생성물 선택도 향상 효과를 나타낸다. 본 연구실은 이러한 제올라이트의 구조를 이루는 Al의 위치를 조절하거나 Ga, Zn와 같은 heteroatom으로 치환하여 활성점을 조절한 제올라이트 촉매를 제조하는 연구를 진행하고 있다. [그림 2] 산점의 분포 및 활성 금속종의 고분산이 가능하여 메탄 직접 탈수소방향족화 생산성 향상과 동시에 코크 생성 억제 효과를 나타낼 수 있다.

연구실 현황

촉매 및 반응공학 연구실은 이관영 교수님을 비롯하여 박사과정 학생 8명, 석사과정 학생 8명, 연구교수 1명으로 총 16명의 연구원이 각종 정부 및 기업 과제를 수행하고 있다. 본 연구실은 2021년 현재까지 311편의 SCI급 논문, 232건 특허 출원 및 등록 등의 우수한 연구실적을 올리고 있다. 특히 2016년 미래창조과학부 기초연구사업 분야 선도연구센터 (ERC) 사업에 선정되어 “초저에너지 자동차 초저배출 사업단 (KU SULEEV)”을 운영중이다. 이관영 교수님 연구실은 C1 리파이너리 사업 외에도 자동차 배기가스 정화 시스템 개발, 계산화학을 통한 촉매의 설계 및 나노촉매의 합성을 통한 과산화수소 직접 합성, 액상유기저장체 (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC)를 이용한 수소 저장 및 방출 시스템 개발 등 다양한 불균일계 촉매 반응시스템에 대한 연구를 수행하고 있다.