[연구실 소개] 촉매 소재 및 공정 연구실

한국과학기술원 촉매 소재 및 공정 연구실(http://

catamat.kaist.ac.kr)은 산업적, 사회적으로 중요한 화 학반응 및 공정에 대해 다양한 촉매를 연구, 개발하 여 산업과 사회의 발전에의 기여를 목표로 연구를 활발하게 진행하고 있다. 불균일계 촉매는 높은 안 정성과 회수율 등으로 인해 대다수의 공정에서 이용 된다. 이러한 불균일계 촉매의 연구를 위해서는 활 성점인 촉매의 표면구조 및 표면 반응에 대한 원리 및 이론들을 이해하는 것이 중요하다. 이에 본 연구 실에서는 촉매의 표면 구조 조절을 통해 촉매 반응 성 및 선택성의 향상을 위한 최적의 촉매 물질 및 구

조를 탐색, 적용하여 촉매 소재를 개발한다. 입자의 형상 제어 및 금속-담체 상호작용 조절, 전자구조 변 화 등의 다양한 방법을 통해 표면 구조를 조절하는 연구가 활발히 진행 중이다.

이를 각종 중요한 촉매 반응 및 공정에 적용하여 각각의 반응에서 최적의 촉매를 개발하고자 하는데 중점을 두고 있다. 연료전지 등으로 대표되는 전기 화학 전지의 귀금속 백금 촉매의 최소화 분야, 청정 에너지인 태양광을 이용한 에너지 전환 촉매 분야, 지구온난화 대응을 위한 온실기체 이용 물질 전환 촉매(C1 전환: 메탄과 이산화탄소) 분야, 바이오매스 전환 촉매 분야 등을 연구하고 있다.

주요 연구분야

1) 촉매 표면에서의 표면 반응 원리 이해

불균일계 촉매에서 일어나는 반응은 반응물인 기 체 및 액체가 촉매 표면인 고체에 접하는 기체/액체/

고체 계면에서 일어난다. 이때, 이 촉매 고체 표면 의 특성들은 이러한 촉매 반응의 반응성, 선택도, 장 기 안정성 등을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 특 히, 촉매 고체 표면의 기하학적 구조와 전자적인 구 조 등은 촉매적 활성 및 여러 촉매 특성에 영향을 미 치게 된다. 따라서, 근본적인 고체 표면의 특성 및 표 면 반응의 탐구는 중요한 과제이다. 촉매 활성부분

촉매 소재 및 공정 연구실

(Catalytic materials and process laboratory)

이 현 주

한국과학기술원 생명화학공학과 [email protected]

의 형상 및 크기 등 나노 구조의 제어를 통해 촉매 고 체 표면은 이상적인 조절이 가능하며 나노 스케일로 정교하게 합성이 가능하다. 이렇게 균일하며 정교하 게 합성된 촉매를 이용하여 고체 표면의 특성 및 표 면 반응을 탐구하며 불균일계 촉매 반응에서의 근본 적인 이론 및 원리들을 연구한다.

2) 백금 최소화 산소환원 촉매 개발

산업혁명 후 인류는 화석연료를 기반으로 문명 을 구축해 왔다. 그로 인하여 지구 온난화 등의 환경 문제가 최근 발생하고 있고, 화석연료 자체의 고갈 문제도 대두됨에 따라, 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원의 개발 및 발전이 요구되고 있다.

여러 친환경 에너지 장치 중 수소연료전지는 수소

와 산소의 화학에너지를 추가 단계 없이 전기에너지 로 직접적으로 변환이 가능한 고효율 에너지 변환장 치이며, 부산물로는 순수한 물만을 발생시키는 친환 경 시스템이다. 게다가 가동 시간이 자유롭고 단위 전지 및 스택의 크기 및 모양을 비교적 유연하게 디 자인할 수 있어서 대용량 발전, 가정용 분산발전, 수 송 및 휴대용 전원 등 다양한 분야에 사용할 수 있는 장점을 지니고 있다. 그러나 수소연료전지 환원극의 느린 산소환원반응을 개선하기 위한 촉매로 사용되 는 백금의 높은 가격과 적은 매장량에 의해 상용화 가 제한되고 있기 때문에, 백금의 사용량을 최소화 시키려는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있 다. 본 연구실에서는 고체 표면 반응의 이론 및 원리 에 한 이해를 바탕으로 백금 입자의 나노 구조 제어

그림 2. 고체 표면의 구조에 따른 금속의 담지 경향 차이

그림 3. 담지체와의 SMSI를 이용한 백금 최소화 전극 개발

속과 백금의 합금을 통하여 백금의 전자구조를 조절 하거나 촉매 담지체의 구조 및 특성을 활용한 강한 금속-담지체간 상호작용(SMSI) 조절을 통해 산소환 원 촉매 활성 증진을 도모하고 있으며, 더 나아가 백 금을 전혀 사용하지 않는 비백금계 촉매의 개발 등 을 통하여 백금의 사용량을 최소화한 산소환원 촉매 에 대한 연구 개발을 진행 중이다.

3) 태양광 이용 촉매 개발

태양에너지는 무한재이며 탄소배출로부터 자유 로운 에너지원으로써 이를 화학에너지로 전환하려 고 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 이 같은 연구동향은 촉매반응에도 적용되고 있는데 광촉매 로 알려져 있는 반도체 계열의 촉매들이 주를 이루 고 있다. 현재 주로 연구 되고 있는 광촉매는 자외선 을 흡수하는 물질로써 흡수할 수 있는 태양 에너지 의 양이 한정되는 단점을 가진다. 이에 가시광선을 흡수할 수 있는 촉매 소재가 각광을 받고 있다. 하지 만 가시광선을 흡수하는 많은 광촉매 소재가 수상의 빛을 받는 조건에서 광부식이 많이 일어나는 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구진에서는 가시광선을 흡 수하는 광촉매를 통한 물 분해, 이산화탄소 전환 등 의 반응 진행하여 친환경적 태양에너지 전환 연구를

막기 위한 연구 또한 진행하고 있다.

또한 최근 태양에너지의 화학에너지로의 전환에 있어 새로운 주자로써 플라즈모닉 현상을 적용한 촉 매들이 연구 개발되고 있다. 플라즈모닉이란 금속 표면에 존재하는 자유전자들의 집합 진동을 일컫는 말로써 이 중 금, 은, 동 원소로 이루어진 10~200나 노미터 크기의 나노입자의 경우 가시광 영역의 빛과 공명을 이루어 독특한 광학적 특성을 보이는데 이를 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이라 한다. 이러한 LSPR 특성을 가진 나노 입자들은 공명을 통해 흡수 한 가시광 영역의 빛 에너지를 빛과 열 혹은 고에너 지 전자의 형태로써 해소한다. 본 연구실에서는 이 러한 LSPR 특성을 가지는 나노입자를 나노안테나로 이용함으로써 광 에너지를 수집, 전환하여 촉매물질 로 전달하고자 하는 연구를 진행하고 있다. 이를 통 해 설계, 합성된 촉매는 태양에너지를 전환하여 반 응에 필요한 에너지를 공급받으므로 기존의 촉매보 다 낮은 에너지 공급조건(반응온도)에 서 높은 반응 성과 선택도를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 이 같은 연구는 기존에 시도되지 않은 촉매연구영역의 새 지평을 열뿐만 아니라 광 에너지 전환 및 유용의 저변을 획기적으로 넓힐 수 있는 계기가 될 것으로 생각된다.

그림 4. 산화(I)구리의 형상에 따른 부식 경향 및 코팅을 통한 내구도 향상

4) C1 화합물 전환: 메탄과 이산화탄소

C1 화합물은 여러 종류의 에너지원 또는 석유화 학제품으로 전환시킬 수 있는 촉망 받는 기초 물질 로 알려져 있다. 본 연구실에서는 C1 화합물, 특히 온실기체의 대부분을 차지하고 있는 이산화탄소와 메탄을 이용한 다양한 반응의 촉매에 대한 연구를 진행하고 있다. 건식개질반응을 통하여 주요 온실기 체인 메탄과 이산화탄소를 전환시켜 합성가스인 수 소와 일산화탄소를 생산한다. 합성가스는 암모니아 합성, 메탄올 합성, 피셔 합성, 수소 첨가 등에 사용 되는 유용한 물질이다. 탄화수소를 이용한 개질반응 을 진행하기 위해서 촉매의 도움은 필수적이다. 백 금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속 촉매와 니켈, 코발트, 철과 같은 비귀금속 촉매가 사용될 수 있다. 귀금속 촉매는 반응에 대한 활성도가 높고 장기안정성이 좋 지만 비싼 가격으로 인해 대규모화가 힘들다. 이에 반해 비귀금속 촉매는 값이 상대적으로 저렴하고 반 응에 대한 활성이 높지만 탄소침적이나 금속의 표면 산화로 인해 촉매의 비활성화가 일어나 반응의 장시

간 운전이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 본 연구실 에서는 이러한 비귀금속 촉매 연구, 특히 니켈의 비 활성화를 방지하기 위한 연구를 진행하고 있다. 이 공정에서 중요한 문제인 탄소침적을 제어하기 위해 서는 메커니즘의 이해가 중요한 화두이다. 촉매 활 성상의 크기, 구조, 담지체 등을 제어함으로써 기초 적인 촉매 반응에 대한 메커니즘을 도출하고 연구결 과를 발전시켜 가혹한 반응조건에서 높은 활성과 탄 소 침적 억제 및 좋은 안정성을 가지는 촉매 제조에 대한 연구를 진행하고 있다. 또한 메탄과 이산화탄 소를 이용한 직접적인 탄화수소의 생산과 이산화탄 소의 전기화학적인 환원을 통한 탄화수소의 생산에 대한 연구를 수행하고 있다.

5) 바이오매스 전환

화석연료의 고갈 문제로 화석연료에서 유래되는 에너지원 및 석유화학 물질에 대한 생산단가가 높아 지고 있는 가운데 대체 에너지원 및 석유화학물질을 생산하는 다양한 방법에 대한 연구가 진행되어 오고 있다. 그 중 바이오매스는 다양한 고부가가치 화학 물의 선택적인 생산 반응물의 대체제로 이용 될 수 있기에 주목을 받고 있다. 본 연구실에서는 셀룰로 오스를 이용한 전환, 식물성 유지를 이용한 바이오 윤활유 합성 등에 대한 연구를 수행한 바 있으며, 현 재는 바이오매스 유래 푸르푸랄과 글리세롤을 활용 하기 위한 불균일계 촉매를 연구하고 있다. 푸르푸 랄은 목질계 바이오매스 물질로써 당화액에 존재하 는 5탄당 유래 방향족화합물이며, 글리세롤은 바이 오디젤의 정제과정에서 필연적으로 생성되는 부산 물로써 알키드 수지, 우레탄 수지, 니트로글리세린 의 제조 원료로 쓰이는 등 다양한 화합물로써 전환 되어 사용될 수 있는 물질이다. 이에 본 연구실에서 는 푸르푸랄과 글리세롤을 특정 화합물로 선택적으 로 전환하기 위한 금속 나노 촉매를 개발하고 촉매

그림 5. 실리카 코팅을 통한 니켈 기반 촉매의 메탄 건식 개질 반 응 코크 발생 방지

반응조건을 제어를 하여 최적의 반응경로를 찾는 연 구를 진행하고 있다.

연구실 구성원

본 연구실은 2007년 9월부터 약 8년간 촉매 표면 에 대한 이해를 바탕으로 다양한 화학 반응에 활용 되는 최적의 촉매 소재를 개발하고 이를 공정에 적 용하는 연구를 수행하고 있다. 현재까지 박사 5명, 석사 8명을 배출하였으며, 2015년 5월 현재 Post Doc 1명, 박사과정 4명, 석사과정 6명의 학생이 활발한 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구를 바탕으로 54 편의 국제학술논문과 18편의 특허를 출원·등록 중

그림 6. KAIST 촉매 소재 및 공정 연구실 구성원 이다.