[연구실 소개] KIST 촉매 및 나노구조 물질 연구실

514…NICE, 제32권 제4호, 2014

연구실 소개

KIST 촉매 및 나노구조 물질 연구실(http://sites.

google.com/site/kistcatal)은 불균일계 촉매, 에어로 젤, 열화학 공정을 중심으로 다양한 연구활동을 수행 하고 있다. KIST 내 타 연구팀들과 마찬가지로 국가 적으로 당면한 에너지 및 화학 산업의 여러 문제들을 해결하고 미래의 새로운 국가 주력 산업을 창출하기 위해 화학공학의 여러 분야중 촉매와 나노구조 재료 에 대해 전문성을 가지고 다양한 기술을 개발하고 있 다. 본 연구실은 학술적인 논문 발표뿐만 아니라 각 분야에서의 원천 특허의 확보와 개발된 기술의 실증 화에도 주력하고 있으며, 특히 인도네시아 바이오에 탄올 파일럿플랜트 건설에도 기여한 바 있다(2012년 5월 16일 디지털타임스). 본 연구실에서 주력하여 연 구하고 있는 화학 촉매는 원료 물질을 다양한 화합물 로 전환시키는 화학공정의 핵심 요소로서, 좋은 촉매 를 설계하고 활용하는 것은 고부가가치의 화학반응공 정을 개발하는데 매우 중요한 부분이다. 본 연구실에 서는 열화학 공정과 함께 주로 불균일계 촉매를 설계, 제조하고,이를 화학공정에 적용하여 유용한 화학제품 및 연료를 생산하는 기술을 개발하고 있다. 불균일계 촉매중 귀금속 담지 촉매, 고체산/염기 촉매, 나노구 조 촉매, 하이브리드 촉매 등을 설계 및 제조하고 있 으며, 이들 촉매들은 바이오연료, 냉매, 탄화수소 연료 등의 제조에 활용되고 있다. 불균일계 촉매 제조와 더 불어 다공성 물질인 에어로젤의 설계 및 합성 연구도

수행하고 있는데, 에어로젤은 단열 재료 및 촉매 재료 로 활용하고 있다.

주요 연구분야

1) 촉매/단열재료로서 에어로젤 합성

에어로젤은 금속산화물, 금속, 유기물 등의 다양한 원료로부터 합성할 수 있는 고표면적의 다공성 물질이 다. 에어로젤은 95% 이상의 부피가 공기로 채워져서 매우 가볍고 열전달이 차단되는 특성이 있다. 이러한 에어로젤은 특유의 나노다공성 구조에 의하여 단열재 로 활용가능하며 또한 고표면적과다공성 성질때문에 촉매 및 분리막재료로서도 유용하다. 본 연구실에서는 에어로젤의 실용화를 위해 오랫 동안 무기, 유기, 복합, 탄소 등 다양한 에어로젤을 설계 및 합성하고 고유의

KIST

(KIST Catalysis and Nanostructured Materials Laboratory)

서동진, 하정명, 제정호

한국과학기술연구원 촉매 및 나노구조 물질 연구실, [email protected]

그림 1. 본 연구실에서 개발한 에어로젤 단열재료(2011년 2월 17일 조선일보)

특성을 이용한 활용 분야를 찾아 노력하고 있다.

2) 바이오매스의 열/촉매화학적 분해 및 분해산물의 업그레이딩

목재, 풀, 해조류 등의 차세대바이오매스는 유기 고 분자로 구성된 비식용의 천연 탄소원이다. 방향족이 나 당과 같은 다양한 단량체로 이루어진 고분자여서 이로부터 다양한 화학제품을 생산할 수 있다. 그러나, 바이오매스 자체가 생명체 또는 생명체의 잔해여서 매우 안정한 구조를 가지고 있어서 화학 공정의 원료 로 사용하기에는 부적절하다. 따라서, 이러한 바이오 매스를 효율적으로 분해하여 그 다음의 화학 공정의 원료로 사용하는 기술이 필요한데, 본 연구실에서는 바이오매스를 분해하기 위한 방법으로 열분해 또는 촉매화학적 분해 방법을 사용한다. 바이오매스를 분 해하기 위해 급속열분해 방법, 촉매화학적 분해 방법 등을 사용하여 열분해 오일이나 기타 방향족 또는 당

유래 화합물을 제조하는 방법을 연구하고 있다. 분해 된 바이오매스는 수소화 및 탈산소화 촉매 반응을 통 해 기존의 석유계 액체 연료와 유사한 탄화수소 화합 물로 전환된다. 본 연구실에서는 고부가가치의 화학 제품을 생산하거나 가솔린, 디젤, 항공유와 같은 고열 량의 탄화수소 연료를 생산하는 고선택성 고안정성 촉매를 개발하고 있다. 본 연구실에서는 또한 바이오 매스 활용 실증화 공정 개발에도 참여하여 인도네시 아에 현지 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 실증화 파일럿 플랜트 건설에도 기여한 바 있다.

3) 천연가스/셰일가스 유래 메탄의 이량화

여전히 막대한 양이 매장되어 있는 천연가스와 최 근에 급격한 관심을 받고 있는 셰일가스는 석유의 고 갈과 더불어 활용에 대한 관심이 높아지고 있으며, 본 연구실에서는 천연가스와 셰일가스의 주성분인 메탄 을 활용한 촉매 반응을 연구하고 있다. 메탄은 그 자 체로 매우 안정한 물질이며 유용한 연료이나 메탄을 이량화하여 에틸렌을 생산한다면 높은 부가가치를 창 조할 수 있으며, 기존에는 합성가스를 경유하는 방식 을 사용하였으나 메탄을 직접 에틸렌으로 전환하는 방법도 무한한 가능성을 가지고 있다. 본 연구실에서 는 다양한 촉매 물질을 개발하고 이러한 촉매를 이용 하여 에탄, 에틸렌과 같은 메탄의 이량화 산물을 제조 하고자 한다. 또한 메탄의 이량화를 위한 촉매의 특성 에 대해서는 많은 부분이 여전히 밝혀지지 않아서 이 러한 메탄의 이량화 활성을 높일 수 있는 촉매의 구조 적 화학적 특성에 대해서도 연구하고 있다.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 32, No. 4, 2014…515

KIST 촉매 및 나노구조 물질 연구실

그림 2. 카본 에어로젤(Materials Chemistry and Physics 22001122, 136, 837-844).

그림 3. 바이오매스로부터탄화수소계 연료 생산(관련 연구 논문: Energy Conversion and Management22001144, 86, 371-378;

Applied Catalysis B: Environmental 22001133, 142-143, 668-676).

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연구실 소개

4) 친환경 냉매 생산 촉매 개발

분자구조내에 염소(Cl)를 포함하는 CFC(Chlorof- luorocarbon)계 또는 HCFC(Hydrogenchlorofluoro- carbon)계 냉매는 몬트리얼 의정서 이후 오존층 파괴 의 주범으로서 지속적으로 생산 중단, 사용 금지, 폐기 되고 있다. 2000년대 이후 현재 주로 이용하고 있는 HFC(Hydrogenfluorocarbon)계 냉매는 오존층을 파 괴하지는 않으나 지구 온난화 지수가 이산화탄소의 1,000배 이상으로 지구 온난화 방지를 위해 다른 종류 의 냉매로 대체될 필요가 있다. 이로 인해 자동차용 냉 매로 사용되는 기존의 HFC-134a 냉매를 HFO-1234yf 냉매로 대체하기 위한 산업 시설이 미국, 유럽을 중심 으로 건설되고 있으며, 자동차 산업이 수출 주력 산업 인 우리 나라도 대체 냉매 제조 기술을 확보할 필요가 있다. 본 연구실에서는 친환경 냉매 생산을 위해 새로 운 고선택성고활성 촉매를 개발하고 이를 활용하여 경 제적인 냉매 제조 공정을 개발하고자 한다. 이를 위해

촉매의 특성 분석이 필요하며, 기존에 알려진 촉매 화 학 반응 메커니즘에 대한 재검토를 수행하고 있다.

5) 기타 나노 구조 촉매 설계 및 활용

본 연구실에서는 다양한 나노 구조 촉매를 설계하 고 water-gas shift와 같은 다양한 촉매 화학반응에서 이들 촉매들을 테스트하고 있다.

연구실 구성원

2014년 7월 7일 현재, 책임연구원 3명, 선임연구원 1명, 연구원 1명, 실험실의 각종 연구 장비 운영을 담 당하는 기술원 3명과, Post Doc 1명, UST 등 박사과 정 5명과 석사과정 7명으로 구성되어 있으며 다양한 방문 연구원들이 연구에 수시로 참여하고 있다.

그림 4. 메탄의 산화 이량화를 위한 나노와이어 촉매(Fuel 22001133, 106, 851-857; Applied Catalysis A: General 22001133, 464-465, 68-77; Catalysis Communications 22001144, 50, 54-58).

그림 5. 친환경 냉매 제조

그림 6. 나노구조 촉매 제조(Applied Catalysis A: General 22001133, 462-463, 220-226; Catalysis Communications 22001144, 56, 11).