서울시립대학교 “대기촉매 및 청정에너지 연구실” (박영권 교수)

연구실 개요

대기촉매 및 청정에너지 연구실(ACE Lab.)은 2002년에 시작되어 온실가스 및 대기오염물질 제어, 폐기물의 열분해/가스화를 이용한 바이오 에너지(바이오오일, 바이오디젤)와 수소 에너지 생산 연구를 진행 중이다. 또한, 효율적인 대기오염저감과 고품질의 연료 및 화학제품 원료물질 생산을 위한 촉매 공정 개발 연구도 수행하고 있다. 특히 메탄과 이산화탄소 같은 C1 가스를 폐기물의 촉매 열분해/가스화의 분위기 가스로 사용함으로써, 온실가스를 재생 자원으로 활용함과 동시에 열분해 생산물의 양과 품질을 증가시키는 연구를 진행하고 있다. 메탄첨가 촉매 열분해의 경우, 메탄을 분해하여 수소를 생성한 후 이를 반응에 공급하거나 분해되지 않은 메탄가스 또한 동시에 공급하여 촉매에 침적되는 코크양을 감소시켜 촉매의 활성도와 수명을 증가시키고, C-C 결합 증가에 의한 방향족 물질 수율 증가를 기대할 수 있다. 또한, 메탄과 이산화탄소가 주성분인 바이오가스로부터 효율적으로 수소를 생산시키기 위해 탄소침적에 강한 페로브스카이트 촉매 개발 연구를 수행 중이다. 이러한 연구개발 결과를 통해 미활용 바이오자원의 효율적인 전환과 고부가가치 화학물질 생산기술의 발전 방향을 연구하고, 기술의 사업화와 상용화를 위한 연구 또한 진행 중이다.

주요 연구내용 소개

1.열분해 및 가스화

1) 반응시스템 구축
본 연구실은 폐기물과 바이오가스를 이용하여 고부가가치 생성물로의 효율적인 전환을 위한 실험실 규모의 반응기(그림 1)를 설계 및 구축하여 다수 보유하고 있다. 메탄첨가를 위한 반응기에는 메탄을 분해할 수 있는 반응기를 추가로 설치하여 메탄으로부터 수소 생성하고 이를 반응에 공급하는 반응기 구조를 구축하였다. 더불어 반응물과 촉매 접촉 형태 다양화 등 반응기 배열 형태 변경을 통한 반응시스템 최적화 연구를 지속적으로 수행하고 있다.

2) 폐기물 유래 고부가가치 화합물 생산 및 성분 분석
열분해 및 가스화를 통해 생성된 바이오오일, 바이오가스 등을 다양한 분석장치(그림2)를 이용하여 분석함으로써 생성물의 이용 가능성을 판단하고, 정확한 분석결과를 바탕으로 생성물의 수율과 품질을 증가시키는 연구를 진행하고 있다.

2. 촉매의 활성 증대 연구

1) 촉매 개질
상업적으로 많이 사용되는 미세기공 제올라이트 촉매를 메조기공으로 개질하여 기공의 크기와 부피를 증가시켜 폐기물의 거대분자들도 쉽게 분해될 수 있도록 개질하는 연구를 진행 중이다. 또한, 저가촉매를 이용한 연구를 통해 공정비용 대비 우수한 품질의 화학물질 생산량을 최대화하는 연구 또한 진행 중이다. 더불어 단일 금속 혹은 이중 금속 담지 촉매를 적용하여 메탄첨가 열분해 시 메탄을 효과적으로 분해시키고, 고부가가치 화합물의 생성량을 증가시키는 연구를 수행하고 있다.

2) 촉매 비활성화 연구
촉매 비활성화 연구를 통하여 촉매 안정성을 확보하고 촉매 교체주기 등 실용화에 요구되는 촉매반응시스템 운전인자를 확립하고자 한다. 촉매 공정 사용 시 발생하는 코크는 촉매의 활성을 저하시키고 타겟물질의 생성을 방해한다. 기존 문헌에서는 촉매공정 이용 시 고압의 수소를 반응에 사용하거나 H/C 비가 높은 물질을 함께 반응하는 것이 제시되고 있다. 하지만 고압의 비싼 수소를 사용하는 경우는 공정의 경제성을 저하시키는 문제를 야기한다. 이에 본 연구실에서는 상압 조건에서 메탄을 첨가하여 촉매 열분해를 수행하여 촉매 코크 생성을 줄이고 방향족 화합물과 같은 고부가가치 물질의 생성을 증가시키는 연구를 수행 중이다. 이는 주요 온실가스인 메탄을 재생 가능한 자원으로 이용함과 동시에 경제성 있는 상압 공정을 가능하게 한다.

연구실 현황

대기촉매 및 청정에너지 연구실은 박영권 교수님을 비롯하여 박사과정 학생 5명, 석사과정 학생 8명, 학부연구생 1명, 연구교수 및 박사후 연구원 6명으로 총 20명의 연구원들로 이루어져 있다. 본 연구실은 SCI급 논문을 600건 게재하고, 특허 출원 및 등록 13건을 보유하고 있다. 또한, 관련 연구분야에 있어서 세계적인 지명도를 가진 박영권 교수님의 지도를 받으며 저탄소 녹색성장의 정부 정책과 그린에너지라는 전세계적인 흐름에 발맞춰 독보적인 업적을 쌓아가고 있다.