[연구실 소개] 분자촉매 반응공학 연구실

서울대학교 분자촉매 반응공학 연구실(http://

catalysis.snu.ac.kr)은 화학반응에 활용되는 다양한 촉매에 대한 개발 및 그와 관련된 공정에 대한 연구활 동을 활발히 진행하고 있다. 최근 전 세계적으로 다양 한 분야에서 나노 기술(Nanotechnology)은 많은 사 람들의 흥미와 관심을 불러일으키고 있는데, 무엇보 다도 촉매에 있어서 나노 기술은 무시할 수 없을 정도 로 중요하다. 과거 우리나라 산업발전에 원동력이 된 석유화학 제품은 원료로부터 여러 가지 화학반응 및 합성과정을 거쳐 생산되는데, 촉매를 활용하지 않고 서는 상업적으로 가치가 없다. 따라서, 석유화학분야 에 있어 촉매는 전부라 해도 과언이 아니며, 과거 우 리나라는 촉매제조의 원천기술을 확보하지 못한 채 미국이나 일본 등 선진국에 많은 대가를 지불하여야 했다. 하지만, 최근들어 국내의 정유, 석유화학 및 정 밀화학 관련회사들은 연구개발에 박차를 가하여 비싼 로열티를 외국회사에 지불하지 않고 나름대로 독자적 인 기술을 확보하고 경쟁력을 갖추고 있는 상태이다.

본 연구실에서는 촉매디자인, 촉매 특성분석 및 반응 기 설계를 기본으로 하여 학술적인 연구뿐 아니라, 촉 매를 실제 공정에 응용할 수 있도록 국내의 대기업들 과 협력하여 공동연구를 수행하고 있으며, 기업이 원 하는 연구원을 육성하고 당면한 어떠한 문제도 스스 로 해결할 수 있는 능력을 키우고 있다. 본 연구실에 서 연구하고 있는 분야를 살펴보면 나노 기술을 응용

하여 촉매를 제조하고, 제조된 촉매 분자의 구조적 측 면에서 특성 분석과 개선 및 고찰을 통하여 촉매 활성 의 극대화를 유도하고 있다. 제조된 촉매는 크게 네 가지로 분야로 나뉘어 응용되는데, 대체 에너지 및 고 효율 에너지 생산을 위한 촉매개발, 석유 화학제품의 원료를 생산할 수 있는 석유화학 촉매개발, 촉매의 기 본적인 특성 및 산화·환원에 관한 연구, 탄소나노소 재를 이용한 커패시터용 전기화학 촉매에 관한 연구 로 분류된다.

주요 연구분야

1) 대체 에너지 및 고효율 에너지 생산을 위한 촉매 개발 (1) 수소 생산을 위한 개질 반응용 촉매 개발

국가의 안전 및 경제 사회발전을 요하는데 필수적 인 요소인 에너지원은 미래 산업을 유지하는 원동력 이 되고 있다. 이러한 에너지 자원이 부족한 우리나라 에서의 신 에너지 제조기술은 국가 경쟁력을 결정하 는 중요한 핵심 기술로 분류되고 있다. 최근 화석연료 의 대체 에너지원으로 다양한 에너지원들이 부각되면 서 본 연구실에서도 신 에너지의 고효율 생산을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대체 에너지원으로서 수소에너지는 에너지 효율이 높고 활용 과정에서 오 염물질의 배출이 거의 없을 뿐만 아니라 매장량이 풍 부한 천연가스 및 셰일 가스(Shale Gas)로부터 생산 될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수소에너지는 암모니 송 인 규

서울대학교 화학생물공학부, [email protected]

아 합성, 연료 전지, 자동차, 내연 기관 및 항공기 등 다양한 산업 분야에 널리 활용될 수 있기 때문에 시장 의 규모가 더욱 증가할 전망이다. 이에 따라 전 세계 적으로 수소에너지 생산과 관련된 R&D 계획을 활발 히 추진하고 있는 상황이며, 우리나라 또한 독자적인 원천 기술의 개발이 필요하다. 본 연구실에서는 청정 에너지원인 수소를 효율적이고 친환경적으로 생산하 기 위한 개질 반응용 촉매를 개발하고 있으며, 구체적 으로는 LNG 및 에탄올 수증기 개질 반응에 사용되는 고효율 비귀금속 촉매 제조 기술을 개발하고 적용하 는 것을 목표로 하고 있다. 고효율 촉매를 제조하기 위한 세부 기술로서는 중형기공성 금속 산화물 담체 를 활용한 비귀금속 활성상의 고분산화 기술, 복합산 화물 제조 기술, 담체의 기공성 조절 기술 및 활성상 의 화학적 개질 기술이 있으며, 이를 통해 연구실에서 제조한 촉매의 물리화학적 특성과 활성의 상관성을 도출한 연구결과를 보유하고 있다.

(2) 바이오매스 유래 폐숙신산의 화학적 전환 촉매 연구 본 연구실에서는 바이오매스 전환 공정에서 생성되 는 숙신산을 유용한 화학물질로 변환하기 위한 불균 일계 촉매를 개발하고 있다. 숙신산은 대표적인 C4 플

랫폼 화합물로서 수소화 반응을 통해 감마부티로락톤, 1,4-부탄디올, 사수소화퓨란 등으로 전환될 수 있는데, 상기 물질들은 열가소성 플라스틱, 공업용 필름, 스판 덱스, 의약품 등 다양한 분야에서 전구체로 사용된다.

이에 본 연구실에서는 용도에 따라 원하는 화학물질을 선택적으로 얻기 위하여, 탄소 담체에 고분산된 이중 금속 촉매를 개발하고 상기 촉매의 물리화학적 특성을 변화시켜 촉매 반응경로를 효과적으로 제어하기 위한 연구를 수행하고 있다. 특히, 본 연구실에서는 촉매의 흡착 메커니즘을 규명하고 활성점의 수소 흡착 능력을 조절함으로써 기존의 공정들보다 저온 및 저압 환경에 서도 고수율로 목적생성물을 얻을 수 있는 원천기술을 보유하고 있다. 최근에는 경제성 확보 및 촉매 기술의 상용화를 위하여 귀금속이 아닌 전이금속 계열의 성분 을 사용하는 새로운 촉매를 개발하고 있다.

(3) 리그닌 저분자화 고효율 촉매 개발 기술

대체 에너지원으로 목질계 바이오매스 또한 최근 전세계적으로 주목을 받고 있다. 목질계 바이오매스 중 리그닌은 펄프공정에서 버려지는 폐 바이오매스원 으로 다양한 방향족 화합물들의 결합으로 구성되어 있으며, 1세대 바이오매스 원료인 당질계, 전분질계와 달리 식량자원과 직접적인 연관이 없으므로 지속적인 원료수급이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 하지만 리 그닌은 그 구조적 안정성으로 인해 현재까지 연구된

연구실 소개

그림 1. 효율적인 수소 생산을 위한 개질 반응용 촉매연구

그림 2. 탄소 담체에 고분산된 이중금속 촉매를 이용한 숙신산의 선택적 전환 기술

생물학적 변환을 통한 리그닌 저분자화는 한계가 있 으며, 이로부터 생산된 물질도 저급 및 저부가 원료로 취급되고 있다. 앞서 언급하였듯이, 리그닌은 연료 및 화학물질의 대량생산에 지속 가능한 엄청난 잠재력이 있는 자원으로서, 리그닌을 효율적으로 분해하는 기 술이 도입된다면, 이를 통해 생산된 방향족 및 탄화수 소 등의 고부가가치 화합물들은 기존의 원유 정제에 의해서 생산된 것들 만큼 충분한 경쟁력이 있을 것이 라 예상된다. 이에 본 연구실에서는 촉매화학적 방법 을 통해 리그닌의 주된 결합인 탄소-산소 결합을 선 택적으로 분해하는 방법을 연구하고 있다. 촉매를 통 한 리그닌 저분자화 기술은 기존의 공정보다 환경친 화적이고 선택적인 생산물을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 고효율 촉매를 개발하기 위한 세부기술로는 중 형기공성 탄소 담체를 활용한 활성상의 고분산화 기 술, 귀금속 및 산촉매 도입을 통한 이원기능 촉매제조 기술, 산특성을 갖는 탄소 담체의 표면 개질 기술 등 을 보유하고 있다. 이러한 연구 결과를 토대로 폐 바 이오매스로부터 얻을 수 있는 다양한 방향족 화합물

을 친환경적, 경제적으로 생산할 수 있는 원천기술 개 발에 힘쓰고 있다.

(4) 이산화탄소활용 촉매 기술

본 연구실에서는 지구온난화의 주범으로 알려진 이 산화탄소를 활용함과 동시에 친환경적인 공정을 통해 플라스틱의 원료를 합성하는 연구도 진행되고 있다.

디메틸카보네이트(DMC)를 합성하는 과정에서 온실 가스인 이산화탄소는 반응물 또는 반응에 보조적으로 참여해 활성을 높이는 물질로 활용되고 있다. 한편, 이 산화탄소로부터 합성되는 디메틸카보네이트는 플라 스틱 원료뿐만 아니라 높은 산소 함유량, 낮은 독성, 생분해성 특성 때문에 연료첨가제, 친환경 용매 등 다 양한 화학분야에서 활용되고 있어 그 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 기존의 디메틸카보네이트 합성공정들 은 유해한 화합물을 원료로 합성되어 왔으나, 최근 보 다 친환경적인 합성방법들이 제시되고 있다. 다양한 대체공정들이 제시되는 가운데 추가적인 공정비용의 감소를 위한 연구들이 진행이 되고 있다. 본 연구실에 그림 3. 촉매화학적 방법을 이용한 리그닌 고부가가치화 연구

서는 새롭게 제시되는 디메틸카보네이트 합성공정에 적용이 가능한 촉매를 연구하고 있다. 산 및 염기 특 성을 갖는 촉매가 상기 대체공정들에 중요한 영향을 미치기 때문에 효과적인 디메틸카보네이트 합성 촉매 의 제조를 위해 산 및 염기 특성을 강화하고자 하였 다. 이를 위해 복합 금속 산화물을 촉매로 활용하였으 며 추가적인 촉매의 산 및 염기 특성을 향상시키고자 다양한 금속 산화물을 담지시켜 디메틸카보네이트의 생산효율을 높이는 연구를 수행하고 있다.

2) 석유화학산업제품의 원료를 생산할 수 있는 석유화학 촉매 개발

(1) 노르말-부탄의 탈수소화 반응을 통한 노르말-부텐 /1,3-부타디엔 생산 촉매 개발

석유화학산업 중 에틸렌, 프로필렌, 부텐 및 부타디 엔 등의 경질 올레핀 제조산업은 국가기간산업으로서, 고분자 제품인 PE, PP, SBR, BR, ABS, SBL 등의 제품을 생산하기 위한 기초 원료로 이용되며, 전 세계 적으로 수요가 급증하는 추세로 생산 및 확보가 매우

중요하다. 이 중에서 부텐과 부타디엔은 에틸렌이나 프로필렌에 비해 원료확보가 어렵고 확실한 공급원이 없어서 장기적인 수급 불균형이 우려되는 상황이다.

현재, 부텐과 부타디엔은 대부분 나프타 크래킹 설비 (NCC)에 의해 이루어지고 있으며, 이 공정은 800 ℃ 이상의 고온에서 수증기 열분해를 통하여 얻어지며, 흡열반응으로 인한 막대한 에너지 소비로, 석유화학 공업에 사용되는 에너지의 약 40 %를 차지하고 있다.

해당공정은 에너지 집중형 공정일 뿐만 아니라, 부텐 과 부타디엔 수요에 따라 생산 공정을 최적화할 수 없 기 때문에 부텐과 부타디엔 제조를 위한 공정으로 근 본적인 방법이 되지 못한다. 이러한 기존 나프타 크래 킹 공정을 대체할 수 있는 부텐과 부타디엔 생산 공정 에 대한 연구가 다양하게 요구되었고, 노르말-부탄으 로부터 수소를 떼어내어 부텐과 부타디엔을 얻는 탈 수소화 반응이 최근의 시장변화에 빠르게 대처할 수 있는 부텐과 부타디엔 생산을 위한 단독공정으로 주 목을 받고 있다. 본 연구실에서는 다양한 촉매 제조법 기술을 이용하고 조촉매 첨가를 통한 기존 촉매의 개

연구실 소개

그림 4. 이산화탄소를 활용한 디메틸카보네이트의 합성공정 및 촉매 기술

선을 통해 촉매를 제조하고 이러한 촉매를 이용하여 노르말-부탄의 탈수소화 반응에 적용하여 노르말-부 텐과 1,3-부타디엔을 생산하는 기술을 개발하고 있다.

해당 기술은 한국공학한림원에서 진행한 대한민국 지 속발전의 원동력이 될 미래 유망기술과 차세대 엔지 니어의 발굴을 위한“2020년 대한민국 산업을 이끌 미래 100대 기술과 주역”으로 선정되었다 (2013년 12 월 19일, 한국공학한림원).

(2) 환경친화적 반응경로를 이용한 과산화수소의 직접 합성 연구

석유화학의 원료인 프로필렌옥사이드를 만드는데 과산화수소는 필수적인 역할을 하고 있다. 또한 목재 와 제지류의 탈색/세척, 세제, 반도체 산업, 합금 공정, 고도산화 공정 등 화학과 환경 산업 분야에서 다양한 용도로 광범위하게 쓰이고 있으며, 고유 특징 상 분자 량이 매주 낮아 질산, NaClO 등 기존 산화제들 대비 뛰어난 산화력을 보여 전세계적으로 연간 200만톤 이 상 판매되고 있다. 현재 상용화된 과산화수소의 대부 분은 앤트라퀴논 산화법을 통해 생산되고 있는데 높 은 수율을 보여 대량생산에 적합하지만, 환경에 유해 한 유기물질을 반응물로 사용하며 최종 생성물인 과

산화수소를 얻기까지 많은 단계를 거쳐야 하기 때문 에 에너지 및 비용 소모가 큰 단점이 존재한다. 이러 한 기존의 합성 공정의 한계를 극복할 수 있는 과산화 수소 합성 반응 기술 개발의 필요성이 대두되고 있으 며, 본 연구실에서는 산소와 수소로부터 과산화수소 를 직접합성하는 기술의 연구를 진행하고 있다. 효과 적인 과산화수소 직접합성을 위해서는 상대적으로 온 화한 조건에서 수소 전환율과 선택도를 높여 줄 수 있 는 촉매의 개발이 필수적이다. 촉매종으로 쓰이는 귀 금속의 개질과 다양한 지지체의 적용을 통해 산도 및 비표면적의 변화에 따른 반응 전환율 및 선택도의 향 상을 목표로 연구를 진행 중이다.

3) 헤테로폴리산 촉매의 특성 및 산화·환원 연구 본 연구실에서는 상업적으로 응용 가능한 촉매를 제조하고 특성을 분석하는 연구이외에도, 학술적으로 연구 가치있는 촉매의 특성에 관한 연구도 수행하고 있다. 대표적으로 다양한 원소의 결합으로 구성된 헤 테로폴리산의 산화 및 환원 특징에 관한 연구를 수행 중이다. 텅스텐, 몰리브덴과 같이 높은 산화수를 가지 는 금속들은 수용액 상에서 옥시음이온을 형성하며 특정 조건에서 중합하여 금속산화물 클러스터를 형성 하게 된다. 이들 클러스터의 구조는 합성 조건에 따라 달라지며 이종 이상의 원소로 이루어진 금속산화물 그림 5. 노르말-부탄으로부터 노르말-부텐/1,3-부타디엔

생산 공정기술

그림 6. 과산화수소의 특성 및 응용분야

클러스터 군을 헤테로폴리 화합물이라 한다. 구조는 중심원소와 배위원소의 비에 따라 분류하게 되며, Keggin형 헤테로폴리 화합물이 보고된 이후, 많은 과 학자들이 다양한 구조의 헤테로폴리 화합물을 발견하 였다. 헤테로폴리 화합물은 다양한 원소로부터 유도 될 수 있기 때문에 다양한 조합이 가능하고 이에 따라 물성 분포 또한 매우 광범위한 것으로 알려져 있다.

따라서 촉매공정, 재료화학, 전기화학, 센서, 생물 분 야에 걸쳐 다양하게 이용되고 있다. 본 연구실에서는 헤테로폴리 화합물의 촉매 작용에 주목하고 있다. 구 체적으로는 순차적 분해와 금속의 치환을 통한 다양 한 구조 및 조성의 헤테로폴리화합물(Heteropoly Compound) 합 성 , 주 사 투 과 현 미 경 (Scanning Tunneling Microscopy)을 이용한 산화환원 특성의 분석, 촉매적 응용에 관한 연구를 수행하고 있다. 해당 연구를 통해 헤테로폴리 화합물의 산화환원 특성은 구조와 치환되는 금속의 특성을 달리함으로써 조절 가능함을 확인하였고 이를 바탕으로 촉매 디자인을 위한 데이터베이스를 작성 중에 있다. 또한 촉매적 응 용을 보다 구체화하기 위해 헤테로폴리 화합물 담지 촉매에 대한 연구도 병행하고 있다. 촉매적 응용에 관 한 연구는 헤테로폴리 화합물의 역할을 산촉매, 산화

촉매 및 조촉매로 나누어 진행하고 있으며, 최근에는 글리세롤의 탈수화반응, 알코올/알데히드/아민류의 산화반응, 과산화수소 직접합성반응 등에서 반응성과 안정성을 확보하고자 연구를 수행하고 있다.

4) 탄소나노소재를 이용한 커패시터용 전기화학 촉매 개발 연구

최근 이차전지와 기존의 전해콘덴서의 중간적인 특 성을 갖는 초고용량 커패시터(Supercapacitor)가 높

연구실 소개

그림 7. 유도 가능한 다양한 구조 및 조성의 헤테로폴리 화합물

그림 8. 주사투과현미경(Scanning tunneling microscopy)의 개 념도와 측정된 헤테로폴리산의 STM 이미지

은 효율, 반영구적인 수명, 급속충방전이 가능한 특성 으로 인하여 차세대 에너지저장장치로써 각광받고 있 다. 다양한 초고용량 커패시터 종류 중, 활성탄 표면에 서 이온들의 물리적인 흡/탈착 원리를 이용하여 에너 지를 저장하는 전기이중충 커패시터가 주목받고 있다.

하지만, 활성탄을 이용한 전기이중층 커패시터의 상 용화에 있어서의 걸림돌은, 리튬이차전지에 비해 약 1/10 수준인 낮은 출력의 문제가 있다. 이러한 문제점 을 해결하기 위하여 최근 많은 연구들이 진행되고 있 다. 이와 관련하여, 본 연구실이 지니고 있는 기술을 이용하여, 다공성 탄소 물질의 합성과 활성화 방법을 통한 높은 비표면적 및 규칙적인 기공구조를 갖는 초 고용량 커패시터용 활성탄 제조 및 다공성 탄소 물질 에 그래핀을 포함시켜 초고용량 커패시터 전극의 저 항을 효과적으로 감소시켜 높은 성능을 유도하는 방 법을 연구하고 있다. 이러한 성과는 연합뉴스, 한국경 제 등의 언론매체를 통하여 기존 제품보다 출력이 높 고, 안정적인 대규모 전력시스템이 필요한 전력용 스 마트그리드 분야에 적용 가능성을 열었다는 성과가 알려지게 되었다.

연구실 구성원

본 연구실은 2004년 8월부터 약 10여년간 다양한 화학 반응에 활용되는 촉매들을 개발하고, 이에 관련 된 공정에 관한 연구를 수행하고 있다. 그 동안 14명 의 박사, 20여명의 석사를 배출하였으며, 2014년 11월 현재 7명의 박사과정, 5명의 석사과정, 3명의 연구생 의 학생이 촉매관련 연구에 매진하고 있다. 연구실 구 성원들의 노력의 결실로 320편의 국제학술지논문, 140여편의 특허를 출원·등록 중에 있다.

그림 9. 다공성탄소물질 및 그래핀을 이용한 초고용량 커패시터 전극물질 (2010. 9. 연합뉴스, 한국경제)

연구실 단체사진