NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 1, 2005 … 63 National Research Laboratory (국가지정연구실) NRL 소개
조 성 준
전남대학교 응용화학공학부 [email protected]
연구실 소개
21세기에 들어서 지구 온난화, 화석에너지의 고 갈 등 인류현안 문제를 해결하기 위한 노력이 절 실히 요구되고 있다. 화석연료를 깨끗하고 환경친 화적이며, 지속 재생산 가능한 자원으로 대체하고 자 하는 노력의 일환으로 미래 청정에너지원으로 서 각광받고 있는 수소의 제조, 생산, 저장 및 이 용기술 분야에 대한 체계적인 연구개발이 이루어 지고 있다. 본 청정에너지기술연구실은 수소와 메 탄 등 청정에너지원에 대한 연구개발을 수행하고 있으며 특히 수소 저장 기술 분야의 기반 기술 연 구 집단으로서 2003년도에 국가지정연구실로 지 정되어 현재 2차년도 연구를 수행 중에 있다. 본 연구실에서는 청정에너지 관련 기초 기반 기술 연 구 결과를 활용하여 나노 소재 합성, 특성분석 및 응용분야로 연구영역을 확대하고 있다. 청정에너 지기술은 미래의 산업기반을 이루는 기술로서 국 내외 연구기관에서 개발을 추진하고 있으며 이에 따라 본 연구실에서는 국내외 연구기관과의 네트
워크 형성을 통해 지역의 기술 혁신 거점으로서 자리매김하고자 한다. 특히 타 기관과의 산학협력 을 통해 기반기술 확산에 노력하고 있다. 본 연구 실에는 석박사과정, 연구원, 박사후 연구원 등 5~6명으로 이루어져 있으며 관련 참여교수로는 교내에 두 분이 있으며 교외와 국외에 네 개 연구 그룹과 상호협력연구를 수행하고 있다.
연구분야
본 연구실에서는 ① 메탄의 고부가가치화 기술,
② 수소 저장, ③ 촉매 연소, ④ 기능성 나노소재 합성을 청정에너지원 관련 연구 개발의 중심 주제 로 선정하여 연구를 수행하고 있다. 메탄의 고부 가가치화 기술은 매장량이 풍부한 천연가스의 주 성분인 메탄을 에탄, 에틸렌 등으로 전환함으로 써 석유화학공정의 다양성을 추구하고 있다. 본 연구실에서는 메탄 전환 반응 촉매의 개발과 특성 분석 및 반응연구를 수행하고 있다. 최근의 연구 결과에 따르면 기존의 실리카, 마그네시아 담지
http://altair.chonnam.ac.kr/~cetl/
64 … NICE, 제23권 제1호, 2005
NRL
소개촉매뿐만 아니라 지르코니아 담지 촉매도 높은 활 성을 갖고 있음을 확인하였다. 또한 신규금속산화 물담체를 이용하여 촉매를 제조할 때, 제조법에 따라 촉매를 제어함으로써 신규 촉매개발 가능성 을 확인하였다.
수소저장기술은 수소를 에너지원으로 하는 경 제사회 시스템의 핵심기반기술로서 인식되고 있 다. 본 청정에너지기술연구실에서는 미래의 에너 지원으로 각광을 받는 수소에너지 관련 기술로서 현재까지 알려진 수소 저장 기술들 중에서 수소를 분자크기 공간에 고밀도로 저장할 수 있는 금속 수소화합물의 특성을 활용하고 탄소 나노 튜브와 유사한 탄소 나노 구조체를 이용하여 수소 저장용 금속/탄소 복합 나노 구조체를 연구개발하고 있 다. 이를 위한 핵심요소기술로서는 ① 탄소와 수 소 활성화용 전이금속으로 이루어진 나노 복합 구 조체 합성기술, ② 금속수소화합물/전도성 고분자 를 Host-Guest 반응을 통해 나노 복합 구조체에 도입하는 기술, ③ 합성된 수소저장용 나노 복합 구조체를 이용한 활용이 있다. 신규 나노 복합 구 조체의 합성을 위해서 청정에너지연구실이 보유 하고 있는 기반기술로서는 ① 나노 세공 탄소체 합성 및 표면 물성 개선기술, ② 나노 세공 분자체 내에 귀금속 나노 입자 형성기술, ③ 전도성 고분 자를 이용한 수소 저장 기술, ④ 방사광
또는 Lab-EXAFS를 이용한 나노 입 자 구조의 원자의 전자구조 분석기술,
⑤ 나노 세공 특성 분석기술 등이 있다.
[그림 1]은 수소기반의 경제사회로 이행하는 과정에 예상되는 기술개발을 보여 주고 있다. 그림에서 보는 바와 같 이 현재 수소 저장 분야의 기술은 압축 가스 탱크 수준에 머무르고 있으므로 수소기반의 경제사회로 패러다임 전환 이 이루어짐에 따라 탄소체와 같은 고 체를 이용한 저장 기술 개발이 요구되 고 이 과정에서 다양한 분야에 많은 고
용 창출과 산업발전이 기대된다. 특히 수소 저장기 술 분야의 발전은 이용기술/시장을 급격히 확대시 킬 수 있는 핵심 요소기술로서 교통수단인 자동차 그리고 분산형 전원 및 휴대용 전원 이용 분야에 서 혁신적인 변화를 이룰 수 있다. 수소가 지구 온 난화와 환경오염을 유발하지 않는 궁극적인 청정 연료임을 고려할 때, 현재 인류사회가 봉착하고 있 는 전 지구적인 환경문제를 해결하고 인구 증가와 지속적인 경제 발전을 이룰 수 있는 기반을 수소 에너지 관련 기술이 제공한다고 볼 수 있다.
촉매연소 기술은 촉매를 이용하여 연소 온도를 제어함으로써 공해물질 배출을 제어하는 기술이 다. 1200℃ 이상의 고온에서 발생하는 질소화합물 의 생성을 촉매연소를 이용하여 연소온도를 낮추 어 줌으로써 공해물질 배출을 억제할 수 있다[그 림 2]. 가스 터어빈 적용을 위한 고온촉매연소 기 술연구는 1200℃ 고온과 10기압에 가까운 고압 조 건에서 우수한 내열촉매활성을 지닌 촉매의 제조 와 개발을 목표로 하고 있다. 미국 일본 등은 상업 화 단계까지 연구개발이 진전되었으나 앞으로 더 많은 연구개발이 필요하다. 특히 촉매 특성상 1200℃의 고온에 견디는 내열활성물질은 그 개발 에 상당히 어렵다. [그림 2]에서 보는 바와 같이 촉매층 내에서 모든 연료가 연소되는 촉매연소시
그림 1. 수소기반 경제사회로의 이행.
스템은 운전 및 NOx의 발생에 있어서 매우 유리 하지만 고온 연소로 인해 귀금속 촉매 또는 기존 의 고온 VOC용 전이금속 산화물 촉매를 사용하 기에는 매우 어렵다.
고온 촉매 연소시스템은 1993년 일본 오사카가 스회사와 코베철강 및 동아시아 촉매화학회사가 같이 개발하였다. 사용된 촉매는 란탄늄으로 활성 화된 팔라듐과 니켈 촉매를 연소시스템의 전단에 설치하고 후단에는 망간이 담지된 헥사알루미네 이트를 사용하였다. 고온 촉매연소시스템에 사용 되는헥사 알루미네이트는 금속알콕사이드를 사용 하여 솔겔법으로 제조하였다. 촉매활성은 망간과 바리움 및 스트론티움을 치환한 것이 매우 우수하 였으며 치환된 전금속의 활성 차이는 이온 산화가 와 치환도에 매우 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌다.
그러나 제법 상에 여러 가지 문제가 발생하였다. 이 후 많은 연구자들이 넓은 비표면적을 지니고 있는 헥사알루미네이트 촉매 제조기술을 연구개발하고 자 하였으며 본 연구실에서는 메조포어 분자체를 만드는 방법과 유사하게 주형물질(template)로 사 용되는 계면 활성제의 종류와 제조조건을 조절함 으로써, 알루미나 졸로부터 고표면적의 알루미나와 망간이 치환된 헥사알루미네이트를 제조하고 특성 을 분석 연구를 추진하고 있다. 특히 관련 기술을 이용하여 인공위성 자세 제어용 추력기 촉매의 담 체로서 사용하고자 하는 연구를 수행하고 있다.
1992년 Mobil사의 연구진들은 계면활성제를 이 용하여 M41S 라고 명명된 일련의 새로운 중형세 공 분자체들이 제조하였다고 보고하였다. 중형세 공 분자체는 액정 주형 경로(liquid crystal
templating mechanism)로 제조되는데 제조과정 중 주형물질(template)로 사용되는 계면 활성제 의 종류와 제조조건을 조절함으로써 세공크기를 2
~10nm까지 조절할 수 있었다. 본 연구실에서는 다양한 액정구조로부터 만들어진 실리카를 이용 하여 기능성 나노 소재로서 탄소체 또는 금속-탄 소 복합체를 제조하는 연구를 수행하고 있다. 그 리고 이를 이용하여 수소 저장과 촉매 반응 및 나 노 입자 제조에 응용하는 기술도 연구하고 있다.
청정에너지기술연구실은 수소저장기술를 비롯한 연구개발을 효과적으로 추진하기 위하여 전남대 광 전자박막연구실, 전남대 정밀화학소재개발지원센 터 등과 협력하여 전문연구협력체제(Research Cluster For Hydrogen Storage Technology Development)를 형성하고 응용기술관련 연구 협 력 및 기술 교류를 하고 있다. 특히 전남대 정밀화 학소재개발지원센터의 LAB-EXAFS 장비를 이 용하여 귀금속과 금속수소화합물간의 상호작용 연구 분야에 주력하고 있다.
주요 보유 연구 장비
두 종류의 고온 고압 수소저장량 측정 장치 (~90기압, 300 ℃), ASAP2020, 고온 소성로, 촉 매제조 장치 등을 보유하고 있으며 Lab-EXAFS, X선 회절 장치, 핵자기 공명 분광기, 주사전자현 미경, 투과전자현미경, 라만 분광계 등 기기를 정 밀화학소재개발지원센터 등을 통해 지원받고 있 으며 충방전 측정장치 등 전기화학관련 장비를 이 용하고 있어 청정에너지 관련 소재 기술개발에 필 요한 기본 장비와 기반이 구축되어 있다.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 1, 2005 … 65
NRL
소개National Research Laboratory (국가지정연구실)
Air
To turbine
Bypass valve Combustion catalyst Main fuel
Pre- combustion Inlet fuel
axlal distance Outlet catalytlc cornbuation
NOx formation frame combustion Iean pre-mixed
combustion 2000
1500 1000 500 0
Temperature (℃)
~450℃,
~350℃,
~1200℃,
그림 2. 연소온도 제어에 의한 질소 산화물 배출 저감과 고온 촉매 연소시스템.
