전남대학교 “청정에너지기술연구실” (조성준 교수)

연구실 개요

청정에너지기술연구실(CETL, Clean Energy Technology Lab.)은 C1 가스로부터 고부가가치의 유용한 화학제품을 생산하는 공정에 적용할 불균일계 촉매 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다. 미세 세공을 갖는 나노 소재 합성 기술을 보유하고 있어 다양한 종류의 제올라이트를 합성할 수 있으며, 표면 특성 제어와 알루미늄 함량 및 분포 조절, 고온 수열 안정성 향상 등을 위해 지속적으로 합성 방법을 개선해 나가고 있다. 합성한 제올라이트는 탄화수소의 흡착 및 분리제로 사용할 수 있으며, 관련 흡착 실험을 통해 흡착 특성 및 성능을 조사하고 있다. 또한 금속 및 금속 산화물을 담지하여 C1 가스의 전환 반응에 촉매로 사용하고 있으며, 실험실 규모의 다양한 반응에서 촉매 활성 및 내구성, 수열 안정성 등을 평가하고 있다. 흡착이나 반응에서 우수한 성능을 보이는 촉매는 정밀 구조 분석을 통해 촉매 활성점을 규명하고, 반응 경로 및 활성 저하 원인 파악을 위한 자료로 활용하여 최적의 촉매 설계를 위한 기초 자료로 활용된다.

주요 연구내용 소개

1. 제올라이트 합성

독특하고 규칙적인 세공이 특징인 제올라이트 합성에서 원료의 종류와 농도, 합성 조건, 합성 방법 등을 조절하여 제올라이트의 종류 및 산성도를 폭넓게 변화시키는 연구를 진행하고 있다. 특히, 다양한 저가의 아민을 구조유도분자로 사용하여 제올라이트를 경제적으로 합성하는 방법을 시도하고 있으며, 더불어 결정성과 수열 안정성을 모두 향상시킬 수 방향으로 진행하고 있다. 유기 구조유도물질 종류 및 농도에 따라 알루미늄 함량을 조절하거나, 골격에 금속을 치환하여 산성도 및 수열 안정성을 제어한 제올라이트는 다양한 반응에서 특별한 성능을 보인다. 예를 들면, 고가의 트리메틸아다만틸암모늄 하이드록사이드 대신 저가의 트리메틸벤질암모늄 클로라이드를 구조유도물질로 사용하여 합성한 SSZ-13 제올라이트는 매우 경제적인 합성 방법일 뿐만 아니라, 900 ℃ 이상의 고온 수열 조건에서도 CHA 결정 구조를 유지할 정도로 특별한 수열 안정성을 지니고 있어 촉매 및 촉매 지지체로 활용 가치가 매우 높다. 또한, 다양한 형태의 유기 양이온을 설계하고 합성하여, 이로부터 독특한 세공 특성을 갖는 새로운 구조의 제올라이트를 합성하기 위한 다양한 방법을 시도하고 있다.

2. 제올라이트의 활용

C1 가스 전환 반응의 전환율과 선택성 향상을 위해 제올라이트에 다양한 금속 또는 금속 산화물을 담지한 촉매를 개발하고 있다. 촉매 지지체인 제올라이트의 종류, 담지된 금속 또는 금속 산화물의 종류 및 함량, 담지 방법 등에 따라 촉매의 성능 및 내구성이 크게 달라진다. 또한, 촉매 지지체인 제올라이트의 특성도 촉매의 성능에 크게 영향을 미치므로, 용도에 맞게 적절한 제올라이트를 선택하고, 세공 크기 및 표면 특성, 입자 형태, 산성도 등을 제어하여 최적의 촉매를 제조하기 위한 연구를 진행하고 있다. 한편 독특한 세공 모양과 세공 입구크기를 갖는 제올라이트는 특정 탄화수소에 대한 흡착 특성이 우수하거나, 수분 흡착에 탁월한 효과를 보였다. 따라서 이를 활용한 반응 생성물의 분리 및 정제를 통해 저비용으로 원하는 탄화수소를 고효율로 분리해낼 수 있으며, 일부 반응에서 촉매 활성을 크게 저하시키는 원인인 수분을 반응 전에 미리 제거하는데도 유용하게 활용될 수 있다. 또한 다양한 조건에서 조사한 탄화수소의 흡착 실험 결과와 계산화학에 기반한 모사(simulation)를 통해 흡착 및 반응 경로를 유추하고, 촉매 세공 내에서 반응물과 생성물의 확산 거동 등을 예측하고 있다.

3. 촉매 반응

실험실에서 합성한 제올라이트와 이를 사용하여 제조한 촉매의 성능 평가를 위하여 MTO (methanol to olefin), MDA (methane dehydroaromatization), DRM (dry reforming of methane) 등 C1 가스와 관련된 다양한 화학 반응의 활성을 조사하고 있다. 반응물 조성, 공간 속도, 반응 온도 등 다양한 반응 조건에서 활성을 조사하고 있으며, 고온 수열 조건에서도 활성 평가를 진행하여 데이터를 확보하고 있다. 이렇게 확보된 자료는 촉매를 개선하여 성능을 향상시키고 고온 내구성을 확보하기 위한 연구에 활용되며, 반응 경로 및 촉매 구성 요소의 역할에 대한 구조 분석에도 활용된다.

4. 촉매 특성 및 구조 분석

촉매 활성점 및 반응 경로 규명은 촉매 반응을 이해하기 위한 기본적인 필요조건이다. XRD, TPD, TPR 등 촉매 벌크 특성 분석과 EXAFS, XANES 등 국부적인 구조 해석을 통해 촉매 구성 성분의 역할, 활성 금속의 구조 및 산화 상태, 지지체의 산성도 및 표면 특성, 지지체와 활성 금속 사이의 상호 작용 등을 파악한다. 이러한 자료는 촉매 활성점을 규명하고 반응 경로를 예측하기 위한 자료로 활용되는 한편, 촉매 활성 저하의 주원인인 금속의 소결(sintering) 현상에 대한 이해를 높여준다. 이를 통해 활성 금속의 소결을 억제할 수 있는 방안을 모색할 수 있어 촉매의 수명 연장이 가능하며, 나아가 최적의 촉매 설계를 위한 자료로 활용할 수 있다. 또한 제올라이트 합성 연구에서도 구조 분석은 큰 역할을 담당한다. 분말 상태의 합성 제올라이트는 리트벨트 분석법(Rietveld refinement)을 통해 제올라이트 골격 구조 및 산점 분포를 해석할 수 있으며, 제올라이트 세공 내에서 유기 구조유도물질의 위치 및 분포 등을 파악할 수 있어 새로운 구조의 제올라이트 개발을 향한 연구에 활용할 수 있다.

연구실 현황

청정에너지기술연구실은 2003년 전남대학교 화학공학부에 터를 잡은 이후 후학 양성을 위한 교육과 다양한 원천 기술 확보를 위한 연구에 힘썼으며, 현재는 박사 후 연구원 1명과 박사과정 학생 2명, 학부연구생 2명으로 구성된 연구진이 나노소재 합성에서부터 다양한 화학공정 분야로의 활용까지 체계적인 연구를 진행하고 있다.
본 연구실은 “C1 가스 리파이너리 사업단”의 지원으로 제올라이트 합성부터 촉매 제조 및 구조 분석, 이를 활용한 반응까지 폭넓은 연구를 진행하고 있으며, 촉매의 성능 및 내구성이 향상된 촉매 개발을 통하여 C1 가스 전환 반응 및 가스 흡착/분리 등 다양한 화학공정에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.