아주대학교 “에너지활용 연구실” (김유권 교수)

연구실 개요

에너지활용 연구실 (Energy Utilization Lab) 에서는 에너지를 저장하고 활용하는 화합물의 생산과 이를 이용한 에너지 활용 원리에 대해 탐구하고 이를 가능케 하는 소재 또는 물질의 작용 원리를 이해하고, 새로운 기능성 촉매를 개발하거나, 이를 활용한 화합물 (알코올, 탄화수소화합물, 수소 등)의 생산 공정의 개발이나, 에너지 활용 기술을 개발하는 데 관심을 두고 연구를 수행 중이다. 특히, 많은 경우에 고체촉매의 표면에서 액상 또는 기상 반응화합물의 촉매 반응이 일어나기 때문에 촉매 표면의 활성자리를 화학적으로 제어하거나 표면처리, 다양한 접합구조를 갖는 복합소재의 개발을 통해 촉매 반응성을 향상시키고, 그 원리를 탐구하거나, 액상-기상 계면에서 일어나는 촉매 반응의 원리를 탐구하고 이를 적용한 공정기술을 개발하는데에도 관심을 두고 연구를 수행하고 있다. 에너지-촉매-표면이라는 세 가지 키워드를 가지고 연구를 수행하고 있기 때문에 에너지 촉매표면화학 연구실이라고도 부르기도 한다. 최근 용융상태의 합금을 기반으로 수소를 생산하는 화학공정이 메탄과 같은 천연가스로부터 수소를 생산할 수 있는 기술임에 주목하고, 액상합금의 촉매반응원리와 이를 기반으로 수소를 양산할 수 있는 공정기술의 개발에도 힘을 쏟고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 나노구조기반 고체 촉매의 제조와 표면 구조 분석

1) 액상 나노결정 성장 원리를 기반으로 한 고체 촉매의 제조
2) 나노물질의 모양 및 결정구조, 그리고 화학적 조성과 결함 구조 규명
3) 촉매 표면의 기능화/나노구조화/접합 구조 기반 새로운 개념의 복합소재 기반 촉매 개발
4) 표면의 원자구조 및 전자구조에 대한 깊이 있는 탐색을 통한 촉매 동작 원리의 이해

2. 나노구조기반 고체 촉매를 활용한 열촉매 또는 광촉매 반응성의 이해

1) 금속-산화물 기반 촉매 나노구조에서의 촉매 반응 활성자리의 규명과 촉매 반응 원리
2) 촉매 반응성에 영향을 주는 원자구조와 전자구조적인 특징의 이해
3) Strong metal-support interaction
4) 표면 및 고체 내부의 결함 구조, 산소 결함
5) 광여기, 전자-홀의 분리, 확산, 표면 반응
6) 액상 라디칼 반응의 동작 원리

3. 고온 액상촉매 작용원리와 반응속도제어, 그리고 열역학적 반응성 이해를 기반으로 한 친환경 수소 생산/활용 기술의 연구

1) 금속 합금 나노 분말, 염 기반 고온 용융 액상 촉매의 제조
2) 액상 촉매 내에서의 반응 가스의 거동
3) 반응 가스의 열역학적 반응성 이해와 액상촉매에 의한 반응속도제어 원리
4) 효과적인 연속 촉매 반응을 위한 반응기의 구조 - 액상-기상 접촉단면적의 최대화, 연속적인 기포 생성과 반응 생성물의 연속적인 분리 원리
5) 반응 공정 제어 원리
6) 생성물의 조성 분석과 촉매의 분석

4. 주요 연구 프로젝트

1) 산화물 또는 이차원 황화물 기반 광촉매 복합 소재의 표면 구조 제어와 반응성의 원리
2) CO2를 방출하지 않는 수소 생산 원리와 공정 기술 개발
3) 천연가스로부터 수소를 대량 생산할 수 있는 촉매 반응 원리와 이를 기반으로한 공정 기술 개발
4) 메탄으로부터 메탄올을 생산하는 친환경 광촉매 소재의 개발과 선택적 부분산화 반응의 제어 원리
5) 광에너지로부터 효율적으로 유기물을 분해할 수 있는 광분해 원리와 이를 적용한 신개념 광촉매와 공정기술 개발
6) 연료전지기반 고효율 수소압축기술
7) 열에너지의 흐름 제어 소재 및 나노구조와 그 동작원리 (heat pipe)
8) 나노 소재의 표면 분석 기술과 나노 구조 성장 원리에 대한 탐구

연구실 현황

에너지활용 연구실은 김유권 교수님을 비롯하여 박사과정 학생 3명, 석사과정 학생 2명, 박사후연구원 1명으로 총 7명으로 구성되어 있고, 여러 명의 학부 학생들이 관심을 가지고 연구에 부분적으로 참여하고 있다. 광촉매 또는 메탄 열촉매분해 연구를 통해 해마다 SCI급 논문을 게재하고 있고, 수소 생산 및 활용 기술 관련 특허 3건을 출원 중에 있으며, 수소 관련 기업들과 상호협력 관계를 유지하면서 활발한 산학협력 연구활동을 이어오고 있다. 정부출연 연구개발 사업으로는 산화물 또는 이차원복합 소재를 활용한 광촉매 수소생산 연구와 "C1 가스 리파이너리 사업“의 일환으로 메탄 열촉매분해 공정을 통한 고부가 탄소 및 수소 생산 공정개발 연구를 수행 중에 있으며, 기초과학을 기반으로 친환경 에너지원의 효과적인 활용을 염두에 둔 기술개발과 그 기본원리를 탐구하는 산학연 협력기반의 학제간 융복합연구를 꾸준히 수행해 오고 있다.