연구실 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 39, No. 4, 2021 … 433
연구실 소개
서울시립대학교 화학공학과의 계산촉매 및 재 료설계 연구실은 주로 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산과 미시반응속도(micro- kinetics) 모델링을 활용하여 고체 촉매에서 일어나는 화학반응을 원자 수준에서 이해하고 이를 바탕으로 최적의 촉매 물질을 합리적으로 설계하는 연구를 진 행하고 있다. 구체적으로는 전기화학적 메탄 산화반 응, 이산화탄소 환원반응, 수소생성반응, 산소생성 반응, 각종 열화학적 탄화수소 전환반응, 자동차 배 기가스 보관 및 전환반응 등을 연구하고 있으며 주 로 금속, 산화물, 금속/산화물 계면, 단원자, 나노 입 자, 페롭스카이트 촉매 등을 살펴보고 있다.
주요 연구분야
1) 전기화학적 메탄 산화반응을 위한 산화물 촉매 설계
천연가스의 주성분인 메탄(methane) 가스는 석유 및 석탄을 대체할 새로운 화석연료로 주목받고 있으 며, 이에 따라 메탄 가스의 효율적 활용에 대한 관심 이 커지고 있다. 하지만 메탄 가스는 대표적인 비극 성 분자로 상온에서 액화가 힘들기 때문에 수요처까 지의 운송이 어렵다는 단점이 있다. 또한 메탄 가스 는 이산화탄소보다 약 25배 심각한 지구온난화 물질 로 메탄 가스 수송관이 건설되기 어려운 곳에 있는 석유 생산기지의 경우 석유 추출 과정에서 부산물로 나오는 메탄을 활용하지 못하고 연소시켜 이산화탄
소로 대기에 방출하고 있는 실정이다. 이러한 메탄 가스를 더욱 잘 활용하기 위해서는 부분 산화반응을 통해 고부가가치 액상 물질인 알콜로 전환시킬 필요 가 있다. 현재 상업화된 메탄-알콜 전환 공정은 먼저 고온·고압 환경에서 수증기 개질(steam reforming) 반응을 통해 메탄 가스를 일산화탄소와 수소로 이루 어진 합성가스(synthetic gas)로 전환시킨 뒤, 피셔- 트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch process)을 통해 알콜 을 합성하는 단계를 거친다. 이러한 단계적 메탄-알 콜 전환 공정은 상당히 에너지 집약적이며 대규모의 공정 시설이 요구되기에 소규모 현장 전환(on-site conversion)을 요하는 현 문제 상황에 적절한 해결책 이 될 수 없다. 반면 메탄의 전기화학적 부분 산화반 응을 통해 메탄을 알콜로 전환시킬 수 있다면 다음 과 같은 이점이 있다. 1) 상온·상압에서 일어나는 전기화학 반응 공정은 소규모화가 가능하다. 2) 메 탄을 알콜로 전환시키기 위해 필요한 촉매 표면의 흡착 산소종(O*, OH* 등)을 전기화학적 산소생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 통해 지속적 으로 공급할 수 있다. 3) 생성된 알콜은 물 전해질의 solvation effect에 의해 쉽게 촉매 표면으로부터 쉽게 탈착이 가능하다. 한편 다양한 촉매 물질 후보군 중 금속 산화물 촉매는 상대적으로 뛰어난 OER 활성과 더불어, 산화물 표면에 존재하는 격자·흡착 산소의 높은 반응성으로 인해 메탄의 활성 반응(C-H bond cleavage reaction)을 용이하게 한다고 보고된 바 있 다. 이에 본 연구실에서는 산화물 촉매 상에서의 전 기화학적 부분 산화반응 메커니즘을 규명하고 촉매 표면의 전자 구조에 대한 이해를 바탕으로 최적의
서울시립대학교 계산촉매 및 재료설계 연구실
(Computational Catalysis & Materials Design Laboratory, University of Seoul)
유종석
서울시립대학교 화학공학과 [email protected]
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산화물 촉매 물질을 설계하는 연구를 진행하고 있 다.
2) 이산화탄소 환원반응을 위한 단원자 및 리간드 에 둘러싸인 나노 입자 촉매 설계
최근 화석연료의 사용량이 급증함에 따라 이의 연소 과정에서 대기 중으로 배출되는 이산화탄소로 인한 환경오염 문제가 심각해지고 있다. 이를 해결 하기 위한 방안으로 신재생 에너지원으로부터 생산 된 전기를 이용해 배출된 이산화탄소를 환원시켜 다 시 연료로 사용하거나 필요한 화학 물질로 전환시키 는 기술이 주목받고 있다. 그 중 일산화탄소는 이산
화탄소의 전기화학적 환원을 통해 얻을 수 있는 가 장 단순한 물질로 산업적 쓰임새가 많을 뿐 아니라 탄화수소계열 화학 물질을 얻기 위한 반응물로 사용 될 수 있다. 따라서 전기화학적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키기 위해 필요한 전기 촉매를 설계하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 연 구실에서는 전통적인 촉매 물질 후보군에서 벗어나 그래핀 기반 단원자 촉매 및 리간드에 둘러싸인 나 노 입자 촉매를 해당 반응의 새로운 촉매 물질 후보 군으로 고려하고 있다. 이들 촉매는 전통적인 금속 촉매에 비해 단위 질량 당 표면적이 커 원자 활용 효 율이 높다는 장점을 가지며 이종원소 도핑 및 치환 을 통해 기존 스케일링 관계(scaling relation)를 깨는
그림 1. 현재 상업화된 메탄 활용 및 전기화학적 메탄 부분 산화반응을 통한 메탄-알콜 전환 모식도.
그림 2. 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 위한 촉매 물질 후보군으로서 구현한 단원자(좌) 및 리간드에 둘러싸인 나노 입자(우) 촉매 구조.
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 39, No. 4, 2021 … 435 등, 촉매 성능을 미세하게 조절할 수 있어 우리가 원
하는 활성을 갖는 촉매 구조를 합리적으로 설계하기 용이하다는 장점이 있다.
3) 금속/산화물 계면에서의 촉매 작용 및 촉매의 지지체 효과 규명
금속 촉매의 경우 입자 사이즈가 작아질수록 불 안정해져 산화물과 같은 다공성 물질인 지지체 위에 분산시켜 담지 시키는 것이 일반적이다. 하지만 지 지체 물질이 무엇인지에 따라 촉매적 특성이 변하는
경우가 존재하며 이는 금속/산화물 계면에서 특이 한 촉매 작용이 일어날 수 있기 때문이다. 이에 본 연 구실에서는 계산화학을 활용하여 금속/산화물 계면 에서의 각종 반응 중간체들의 spill-over 현상을 이해 하고 이를 바탕으로 새로운 반응 메커니즘을 규명하 는 연구를 진행중이다. 특히 고체 산화물 전해 전지 (solid oxide electrolysis cell, SOEC)에 환원 전극으로 널리 이용되는 Ni/YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 계면 시스템에 대해 연구를 진행하고 있으며 주로 물 분 해에 이은 수소생성반응(hydrogen evolution reaction, HER)이 H* vs OH* vs O* spill-over에 의해 일어나 는지 등을 살펴보고 있다. 뿐만 아니라 가솔린 자동 차 엔진의 냉 시동 구간(cold-start period)에서 NOX 배출 저감을 위한 Pd/Ceria 촉매에 대해 연구를 진행 하고 있으며, Pd/Ceria 계면이 NO 저장 및 환원 반응 (NO reduction reaction, NORR)에 미치는 영향을 규 명하기 위해 노력 중이다.
4) 고체 산화물 전지에서의 이온 전도 현상 및 촉 매 작용 규명
환경오염을 유발하는 화석연료를 대체하기 위한 방안으로 수소 에너지가 많은 관심을 받고 있다. 수
그림 3. Ni/YSZ 계면의 계산 모델(좌) 및 Pd/Ceria 계면의 계산 모델(우).
그림 4. Proton Ceramic Electrolysis Cell의 공기극에 요구되는 다양한 물성들.
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소 에너지는 사용 과정에서 환경오염 물질을 배출하 지 않는 친환경적인 에너지원이지만, 현재 수소 생 산의 90% 이상이 화석연료의 개질 과정에서 나오는 부생수소이기 때문에 완전히 친환경적이라고 할 수 없다는 점이 지적 받고 있다. 따라서 친환경적인 수 소 생산 방법으로 물의 전기 분해에 대한 연구가 활 발히 진행되고 있다. 다양한 수전해 전지 중 고체 산 화물 전지, 그 중에서도 프로톤 전도성 세라믹 수전 해 전지(proton ceramic electrolysis cell, PCEC)는 높 은 온도(500-700℃)에서 반응이 진행되기 때문에 백 금과 같은 귀금속 촉매를 사용하지 않으면서도 좋은 수소 생산 효율을 보여 주목받고 있다. 특히 공기극 물질에 페롭스카이트 계열 물질을 사용한 경우 높은 수소 생성 활성도를 보였는데, 이는 페롭스카이트 물질의 높은 프로톤 전도도에 기인한다는 연구 결과 가 있다. 따라서 본 연구실에서는 전체 셀의 성능 중 큰 부분을 차지하는 공기극의 촉매적 반응에 대한 연구를 진행하고 있다. PCEC의 공기극에서는 물 분 해 반응을 통한 프로톤과 산소 이온의 형성, 각 이온 의 전도, 마지막으로 산소 기체의 형성까지 복합적
인 반응이 진행된다. DFT 계산을 활용하면 각 이온 의 전도도 뿐만 아니라 표면에서 진행되는 물 분해 반응, 산소발생반응 (oxygen evolution reaction, OER) 의 활성도를 정량적으로 비교해볼 수 있다. 각 반응 의 반응 메커니즘을 정확히 규명하고, 활성도를 비 교하는 것을 통해 반응 활성을 가장 저해하는 단계 가 무엇인지 특정할 수 있다. 이러한 데이터를 바탕 으로 본 연구실에서는 더 좋은 활성을 보이는 촉매 를 디자인하고자 한다.
연구실 구성원
서울시립대학교 화학공학과의 계산촉매 및 재료 설계 연구실은 2021년 7월 현재 박사후연구원 2명, 대학원생 9명, 학부연구생 2명으로 구성되어 있으 며, 계산과학에 기반한 최적의 촉매 물질 설계 연구 에 열정적으로 함께 할 박사후연구원 및 대학원생 후보자를 모집하고 있다. 다음은 연구실 홈페이지 주소이다: https://yooresearch.wordpress.com/
