전남대학교 “나노구조촉매연구실” (연구책임자: 나경수 교수)

연구실 개요

2015년 전남대학교 화학과에 연구실을 꾸린 나노구조촉매연구실(Nanostructured Catalysts Laboratory)에서는 제올라이트, 금속 산화물, 금속 나노입자, 다공성 실리카 등의 나노구조 물질 기반 촉매의 디자인·합성 및 이를 활용한 다양한 촉매 반응과 응용 연구를 진행하고 있다. 나노구조 물질을 활용 및 응용하여 탄소 하나로 이루어진 분자들의 전환을 통해 대체 에너지 자원과 고부가가치 화합물을 생산하는 C1 화학, 수소의 저장 및 발생을 위한 액상유기수소운반체(LOHC) 기술 연구, 지속가능한 원료인 바이오매스를 이용한 고부가가치의 화합물을 생산하는 연구, 이론 계산 연구를 활발히 진행하고 있다. 또한 in situ 분석 장비를 활용한 반응 메커니즘 규명 연구 및 이론화학적 컴퓨터 계산 연구를 통한 기초 과학 연구도 진행하고 있다. 나노구조의 촉매 물질 합성부터 분석, 반응 및 이론화학적 컴퓨터 계산까지 넓은 범위의 분야를 다루며 에너지 및 환경문제의 개선에 기여하기 위한 연구를 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. C1화합물의 촉매 화학적 전환 연구

(1) 이산화탄소 활용 메탄의 카르보닐화를 통한 유기산 제조 촉매 개발 연구
다양한 메탄의 직접전환 기술 중 카르보닐화(Carbonylation)는 아세트산을 포함한 유기산을 생산할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이러한 함산소화합물(Oxygenated Compound)은 다양한 화학공정의 플랫폼 화학제품이기 때문에 C1 가스의 고부가가치화에 가장 근접해 있다. 이산화탄소를 활용한 메탄 카르보닐화 반응은 1:1반응을 통해 아세트산이 생성되어 원자 경제적이지만, 선택적으로 아세트산을 합성하기 위해서는 메탄과 이산화탄소를 동시에 활성시켜야 한다. 나노구조촉매연구실에서는 이산화탄소를 활용한 메탄 카르보닐화를 통해 유기산을 제조할 수 있는 이중기능성 저온 활성 불균일계 촉매를 개발하는 연구를 진행하고 있으며, 배치반응기와 연속반응기를 이용한 반응 공정 연구를 진행하고 있다.

(2) 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 촉매 개발 연구
화석연료 사용의 급증으로 이산화탄소의 배출량이 증가하여 기후 변화를 막기 위한 대기 중 이산화탄소 감축 노력이 다양하게 이루어지고 있다. 또한, 배출된 이산화탄소를 포집하여 저장 또는 활용하는 탄소포집·저장·활용(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술 등 새로운 감축수단의 병행이 필수적이라는 인식이 확대되고 있다. 이산화탄소는 역수성가스반응(RWGS, Reverse Water Gas Shift Reaction) 을 통해 일산화탄소로 전환되며, 전환된 일산화탄소는 다시 합성가스전환반응(FTS, Fischer-Tropsch Syngas Conversion)을 통해 탄화수소로 전환될 수 있다. 이러한 반응을 통해 본 연구실에서는 이산화탄소를 일산화탄소, 메탄과 같은 C1 화합물 뿐만 아니라, C2 이상의 탄화수소로 선택적으로 전환할 수 있는 촉매 개발 및 공정 개발 연구를 진행하고 있다.

(3) 메탄 염소화반응 및 메틸클로라이드를 활용한 올레핀 생산 반응 연구
메탄염소화반응은 메탄을 가치 있는 탄소화합물로 전환하는 방법 중 하나로, 염소의 높은 반응성에 의해 비교적 낮은 에너지 조건에서 메탄을 전환하는 점에서 장점이 있다. 이 반응을 통해 메틸클로라이드를 비롯한 여러 클로로메탄 화합물이 생성되는데 가장 가치가 높은 메틸클로라이드를 선택적으로 생성하는 것이 이 반응의 목표이다. 본 연구실에서는 핵심 생성물인 메틸클로라이드의 높은 생산성을 위해 고체산촉매를 사용하며, 제올라이트를 기반으로 본 연구를 진행한다. 또한, 이렇게 생성된 메틸클로라이드는 제올라이트기반 촉매을 사용하여 올레핀으로 전환시킬 수 있는 반응(CMTO, Chloromethane-to-Olefin)을 통해 올레핀으로 전환이 가능하며, 이를 목표로 활성과 수명 및 선택성이 좋은 촉매를 개발하는 연구를 진행하고 있다.

2. 수소 저장 및 생산 반응 기술 개발 연구

수소는 고 에너지 밀도를 가지고 있는 차세대 에너지원으로 높은 관심을 받고 있음에도 불구하고, 수소의 생산, 저장 및 운송과 관련하여 여전히 해결해야할 문제들이 많은 에너지 물질이다. 수소를 다양한 촉매화학공정을 통해서 생산할 수 있는 기술이 마련되어 있으나, 아직까지 안전하게 저장하고 운송할 수 있는 성숙한 기술이 마련되지 않은 상태이다. 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)는 유기 물질에 수소를 화학적으로 저장하고 안전하게 운반할 수 있도록 하는 고효율, 고안정성 수소 저장 기술이다. 특히 질소와 같은 헤테로 원자를 포함하고 있는 탄화수소기반의 LOHC화합물의 경우 낮은 탈수소화 엔탈피로 인해 높은 탈수소화 성능을 보여주는 것으로 알려져 있다. 본 연구실에서는 다양한 LOHC 화합물로서의 후보 물질을 탐색하고, 이로부터 수소를 저장하거나, 원하는 곳에서 빠르게 수소를 생산할 수 있는 탈수소화 촉매를 개발하는 연구를 진행하고 있다. 다양한 나노구조의 촉매를 설계하고 이를 통해 고수율로 수소를 생산함은 물론 빠른 동역학을 통해 수소를 생산할 수 있는 촉매 공정 기술 개발 연구를 진행하고 있다.

3. 바이오매스 유래 분자의 고부가가치 화학물질로의 전환 연구

바이오매스로부터 얻을 수 있는 바이오매스 유래 화합물의 경우, 지속가능한 원료물질로서의 가치 때문에 환경 친화적인 화학산업에 기여가 높을 것으로 기대된다. 본 연구실에서는 바이오매스로부터 얻어지는 다양한 유기물들 중에서 Acetic acid, Formaldehyde, Ethylene glycol, 5-hydroxymethylfurfural(HMF)등을 이용하여 Acrylic acid, Glycolic acid, 2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA)등의 고부가가치 화학물질로 효과적으로 전환시킬 수 있는 촉매 및 반응 공정을 개발하는 연구를 진행하고 있다.

4. 이론계산연구

계산화학은 전통적으로 실험화학의 결과를 검증하거나 관찰하는 역할을 하였지만, 현대에 들어서는 가장 적합한 구조의 촉매를 설계하거나 실험 결과를 예측하는 등 그 영역을 확대해 가고 있다. 나노구조촉매연구실에서는 다양한 촉매 반응에 대해서 실험적인 반응 연구를 수행함은 물론, 나노구조 촉매의 모델을 설계하고 이에 대한 반응물과 생성물들의 흡착에너지 및 기하학적 구조 등을 이론화학적으로 계산하여 촉매 표면에서 일어나는 반응을 해석하는 연구를 수행하고 있다. 또한 촉매 구조에 따라 촉매 반응 기작이 어떻게 변화하는지를 탐구하고 이로부터 고활성 및 고선택성을 보여주는 새로운 촉매 구조를 이론화학적으로 제안하는 연구도 함께하고 있다. 이러한 이론화학적 계산 연구는 촉매의 설계 및 제안뿐만 아니라 반응의 해석과 더불어 in situ 분광학적 실험과 연계하여 보다 합리적인 반응 메커니즘 규명에 활용하고 있다. 앞서 언급한 다양한 촉매 반응에 대해서 이러한 이론화학적 계산 연구를 적용하고 있으며, 이를 통해 실험으로만 확인하였던 다양한 촉매의 반응 기작들을 이론적으로도 지원할 수 있는 연구를 수행하고 있다.

연구실 현황

나노구조촉매연구실은 연구책임자인 나경수 교수를 비롯하여 석·박사통합과정 학생4명, 석사과정 학생 6명, 학·석사연계과정 학생4명, 학부연구생 4명 총 19명의 연구원으로 각종 정부 및 기업 과제를 수행하고 있다. C1 가스 리파이너리 사업단에서는 “이산화탄소와 메탄을 직접 반응시켜 아세트산을 생산하는 촉매 공정 개발”에 관한 프로젝트를 수행하고 있으며, 이산화탄소 전환을 통한 고부가가치 화합물 생산과 관련하여 한국연구재단의 “중견 연구자 지원 사업”등을 수행하고 있다. 또한 LG화학 등 기업들과 상용화에 근접하는 촉매 기술 개발 연구에 관한 프로젝트를 수행하고 있다. 본 연구실은 불균일계 촉매 개발 및 반응 연구와 관련하여 Nature, Science, JACS, Angewandte Chemie 등 유수의 우수 학술지에 48편의 논문을 출판하였으며, ACS Catalysis의 Most Cited Papers from Around the Globe: Republic of Korea에 선정되기도 하였다. 특히 최근에는 수소 생산 연구와 관련하여 LOHC 기술 관련 연구를 수행하여, ACS Sustainable Chem. Eng.지에 표지 논문으로 게재하기도 하였다. 최근 5년간은 CO2 전환 및 촉매 관련 특허 등록 3건, CH4 전환 관련 특허 2건 출원 등 C1화합물의 촉매 화학적 전환 연구에서 큰 성과를 올리고 있다.