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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 5, 2015 … 581
연구실소개
한국화학연구원 나노촉매 연구그룹은 그린화학
공정 연구본부 내 나노촉매 연구센터(http://www.
krict.re.kr/dep_03_02)에 소속되어 있으며, 에너지 환
경 및 화학 산업의 여러 문제들을 해결하고 미래의
화학기술을 창출하기 위해 나노촉매 및 나노세공
체 기반의 그린화학 촉매 및 에너지 절약형 흡착제
원천기술 개발 및 실용화를 목표로 연구를 수행하
고 있다. 본 연구그룹에서는 그린화학 분야에서 바
이오매스 유래 화합물로부터 바이오 연료 및 화학제
품 생산, 즉 바이오리파이너리 기술 개발을 위한 나
노촉매의 합성 및 특성분석, 촉매 반응 및 공정 개발
연구를 수행하고 있다. 또한 나노세공체 분야에서는
초다공성, 고표면적의 하이브리드 나노세공체 물질
로 알려진 Metal-Organic Framework (MOF)의 대량
합성을 위한 수열합성, 나노입자 제조를 위한 마이
크로파 합성, MOF 골격 불포화자리의 아민 기능화,
한국화학연구원 나노촉매 연구그룹(Nanocatalyst Research Group in KRICT)
장종산, 황영규, 황동원한국화학연구원 나노촉매 연구그룹, [email protected]
그림 1. PLA 벨류 체인 및 주요 연구 기관
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연구실소개
수열안정성 MOF 물질의 에너지 절약형 수분제어,
촉매 및 흡착분리 등의 응용 연구를 수행하고 있다.
본 연구그룹은 해당 분야의 원천특허 확보와 개발된
기술의 실증화를 위해 집중하고 있고 이와 함께 논
문 발표 및 게재를 통해 해당 분야의 과학자들과의
소통과 협력에도 노력하고 있다.
주요 연구분야
1) 락타이드 모노머 제조 촉매 기술
바이오리파이너리 기술은 바이오매스 자원에 기
반 원료를 이용하여 화학제품 및 연료를 생산하는
기술이며, 석유화학 기술 대비 지구온난화 문제를
해결할 수 있는 탄소순환형 기술로서 기대를 모으
고 있다. 특히, Polylactic acid (PLA)는 바이오매스로
부터 얻을 수 있는 가장 유망한 바이오플라스틱으
로 주목을 받고 있다. PLA 제조 기술은 1990년대 초
미국의 NatureWorks사에서 상업화에 성공한 후 현
재 연 14만톤 규모로 거의 독점적으로 생산하고 있
으며, 해당 공정에서는 젖산을 고진공 조건에서 균
일계 촉매를 이용하여 예비중합/해중합 2단계 공정
을 통해 락타이드 모노머를 제조 후 축중합 반응을
거쳐 PLA를 제조하게 된다. 현재 국내외적으로 PLA
수지를 활용한 응용제품 개발에는 많은 연구 및 사
업화가 진행 중이지만 아직까지 국내에서는 PLA 수
지의 핵심원료가 되는 락타이드 모노머 제조 기술이
확보되지 않아서 PLA관련 바이오플라스틱 시장 진
입이 어려운 상황이다.
본 연구그룹에서는 새로운 락타이드 제조기술 확
보를 위해 2009년부터 젖산발효액으로부터 락타이
드 모노머 제조 기술에 대한 기초 및 실증 연구를 진
행하고 있다. 특히, 최근에는 기존의 Sn 균일계 촉매
공정에 기반한 2단계 락타이드 제조 기술과 경쟁할
수 있는 고활성의 나노복합체 촉매와 이를 이용한
락타이드의 1단계 직접적 전환 기술을 개발하여 특
허를 출원하였으며, 상업화 공정 개발을 위한 연구
를 진행 중에 있다. 본 연구그룹에서 개발한 새로운
공정은 상압 운전으로 90% 이상의 높은 락타이드의
수율을 얻을 수 있으며, 메조-이성체 및 올리고머 부
산물이 기존 공정에 비해 크게 감소하여 반응 폐기
물이 발생하지 않는 장점이 있기 때문에 차세대 친
환경 락타이드 제조 기술로서 활용이 기대된다.
2) 바이오매스 유래 플랫폼 화합물의 전환 기술
본 연구그룹에서는 락타이드 모노머 제조 기술과
함께 촉매기술을 이용한 다양한 바이오매스 유래 플
랫폼 화합물의 업그레이딩 연구도 진행하고 있다.
대표적인 연구 내용으로는 젖산발효액을 정제가 용
이한 알킬락테이트로 전환하고, 이를 활용하여 락타
이드 및 프로필렌글리콜을 제조할 수 있는 촉매 공
정을 개발 중에 있다. 또한, 바이오디젤 부산물인 글
리세롤의 수소화를 통한 프로필렌글리콜 제조, 숙신
그림 2. 락타이드 제조 기술 비교
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산 수소화를 통한 감마부티로락톤/1,4-부탄디올 제
조 및 레불린산 수소화를 통한 감마-발레로락톤/메
틸테트라하이드로퓨란 제조를 위한 Cu계 나노촉매
기술을 확보하고 있다. 최근에는 에너지 밀도 및 옥
탄가 등이 가솔린과 유사하기 때문에 차세대 연료로
서 관심을 받고 디메틸퓨란을 고수율로 제조할 수
있는 촉매 공정을 개발하고 후속 연구를 진행하고
있다. 아울러, 미정제 에탄올을 업그레이딩하여 바
이오항공유를 제조하는 촉매 기술 개발도 진행하고
있다.
3) 바이오리파이너리용 불균일촉매 기술
식물자원 바이오매스들은 발효나 수소화 반응을
통해 대부분 다가 유기산이나 다가 알콜 형태의 바
이오매스 유래 플랫폼 화합물로 전환되는데 이러한
플랫폼 화합물들은 많은 관능기를 갖고 있어 원하는
화학제품이나 바이오연료로 전환하기 위해 촉매를
이용한 탈기능화(Defunctionalization) 과정을 거치게
된다. 탈기능화를 위해 가수분해, 탈수, 이성화, 개
질, Aldol 축합, 수소화, 선택적 산화, 수소화 분해 등
의 화학반응을 위해 촉매가 필요하며, 이를 위해 다
그림 3. 바이오플랫폼화합물을 이용한 바이오플라스틱/연료 제조 기술
그림 4. Cu-SiO2 나노복합촉매에 의한 바이오매스 유래 유기산 및 에스테르의 수소화, 탈수소화 및 수소화 분해 반응
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양한 종류의 불균일계 나노촉매를 개발하고 있다.
그림 4에 예시한 바와 같이 본 연구그룹에서는 다
양한 바이오매스 유래 유기산 및 에스테르의 수소
화, 탈수소화 및 수소화 분해 반응을 위한 Cu-SiO2
나노복합체 촉매를 개발하여 성능을 입증한 바 있
다(ChemSusChem, 8, 2345 (2015)). 이 촉매는 바이오
매스 유래 화합물의 탈기능화 촉매로 유용하게 사용
될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 그래핀옥사이드
(Graphene oxide) 표면에 슬폰산기(SO3H)를 부착시킨
브뢴스테드 고체산 촉매를 개발하여 포도당으로부
터 C5 레블린산(Levulinic acid) 제조공정에 적용한 바
있다(Green Chem., 15, 2935 (2013)).
탄소수가 작은 모노카르복시산은 바이오매스 발
효에 의해 제조될 수 있으며, 바이오 연료 및 화학제
품의 원료로 활용될 수 있다. 그러나 모노카르복시
산 원료는 물이나 용매 속에서 부식성이 있기 때문
그림 5. 바이오매스 유래 부틸산의 선택적 수소화를 위한 Ru-Sn/ZnO 나노촉매 및 이를 이용한 새로운 바이오부탄올 하이브리드 합성공정
그림 6. 화학(연)에서 개발한 하이브리드 나노세공체 KRICT F100의 대량합성 시료 및 MIL-100/101 물질의 특성 및 응용관련 저널에 게재된 표지논문 그림
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에 액상 촉매 반응이 진행될 때 불균일계 촉매의 구
조를 붕괴시키거나 활성성분을 용출시켜 촉매 비활
성화를 유도하는 경향이 있다. 따라서 모노카르복시
산 전환을 위한 촉매 비활성화 없는 고활성과 고선
택성의 불균일 촉매의 개발은 바이오리파이너리 분
야에서 해결해야 할 과제 가운데 하나이다. 본 연구
그룹에서는 모노카르복시산의 선택적 수소화에 효
과적인 Ru-Sn/ZnO 나노촉매를 개발하였고, Ru3Sn7
의 합금 자리가 촉매 활성점으로 작용한다는 것을
발견하였다. 이 촉매를 포도당 발효로부터 제조한
부틸산(Butyric acid)의 기상 수소화 반응에 적용하여
95% 이상의 바이오 부탄올 수율을 얻을 수 있는 새
로운 하이브리드 전환 공정을 개발하였다. 이 촉매
는 반응조건에서 3500 시간 이상 사용한 후에도 촉
매 비활성화 없이 고수율과 선택성을 그대로 유지
되는 특징을 나타내었다(US Patent 7,847,134 (2010);
ChemSusChem, 7, 2998 (2014)). 이 촉매는 내부식성
이 필요한 유기산의 C=O기를 선택적으로 환원시킬
수 있는 촉매 반응에 효과적으로 활용될 수 있을 것
으로 기대된다.
4) 하이브리드 나노세공체 MOF의 대량합성 및 응
용 기술
하이브리드 나노세공체 MOF 물질은 현재까지 보
고된 물질 가운데 표면적과 다공성이 가장 높은 배
위고분자 화합물로서 다양한 기능을 갖고 있어 화학
산업에 널리 이용되는 제올라이트 나노세공체의 세
공크기, 구조 및 기능적 한계를 넓혀줄 것으로 기대
되고 있다. 본 연구그룹에서는 2,000 ~ 4,500 m2/g 범
위의 세계 최고수준의 표면적과 흡착성능을 갖는 여
러 종의 MOF 물질을 개발하고 흡착제, 촉매, 멤브레
인, 약물전달 지지체 등의 형태로 다양한 흡착, 분리
및 반응 특성을 관찰하였다. 또한 에너지 절약형 수
분제어 기술에 활용될 수 있는 결정성 유무기 하이
브리드 나노세공체의 초고수율 수열합성 및 마이크
로파 합성 기술 개발에 성공하였다.
본 연구그룹의 하이브리드 나노세공체는 2005년
부터 프랑스 CNRS 연구소와 공동연구를 통해 성공
적으로 개발되었고, 일부 물질과 수열합성 및 응용
기술에 대해서는 한국화학연구원 단독 또는 프랑스
CNRS와의 공동으로 특허를 출원하고 있다. 본 연구
그룹에서는 나노크기의 MOF 합성 기술, 촉매 및 흡
착 응용을 위한 MOF 골격 불포화자리의 아민 표면
기능화 기술, 100oC 이하의 저온 재생이 가능한 수
열안정성 MOF 물질의 에너지 절약형 제습 및 냉방
기술 등을 최초로 개발하여 논문을 게재하고 특허화
한 바 있다. 현재 하이브리드 나노세공체 분야에 10
편의 미국특허 포함 약 50여편의 국내외 특허를 등
그림 7. Al계 하이브리드 나노세공체 MIL-160 수분흡착제와 이를 이용한 흡착식 히트펌프/냉동기 응용기술 결과
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록하였고, 일부 특허 이전계약을 포함하여 사업화를
위한 포트폴리오를 준비하고 있다.
현재 다양한 MOF 물질의 대량합성 기술을 개발
하고, 흡착제 및 촉매물질로 적용하기 위해 노력하
고 있다. KRICT F100로 명명된 MIL-100 구조의 Fe-
MOF의 경우 저온 저압의 수열합성 기술로 생산되
며, 1700 kg/m3.day의 매우 높은 공시간 수율로 얻어
질 수 있다. 이 물질은 이 분야 최초로 상업 생산을 진
행 중인 독일 BASF사의 Fe계 하이브리드 나노세공
체에 비해 표면적과 흡착성능이 40% 이상 향상되었
고 생산 수율은 최대 80배 이상 향상되었다. BASF사
의 물질에 비해 결정성과 구조는 물론 촉매 및 흡착
특성도 차별화된 물질로 확인되었다. 현재 1 배치당
150 kg 수준의 파일롯 규모 생산 성능이 검증되어 미
국 Strem Chemicals사를 통해 시약으로 공급 중이며,
(http://www.strem.com/resource/19/literature_sheets-
metal_organic_frameworks_mofs_and_ligands_for_mof_
synthesis)국내외 일부 기업들과 수분 및 기체 흡착제
로서의 활용에 대해 협의를 진행하고 있다.
또한 본 연구그룹에서는 단위무게당 70 - 150%의
수분 흡착량으로 기존 상업용 수분 흡착제 대비 2 -
6배 이상의 흡착량을 갖는 메조세공 하이브리드 나
노세공체를 60 - 80oC의 중저온 폐열 또는 태양열에
의해 손쉽게 신속 재생이 가능한 에너지 절약형 수
분제어 기술에 적용될 수 있는 최고 수준의 수분흡
착제로 개발하였다(Adv. Mater., 24, 806 (2012)). 최근
에는 프랑스 CNRS 연구소와 공동으로 신재생 에너
지원 활용이 가능한 수분흡착식 히트펌프의 핵심 소
재인 Al-MOF 수분흡착제를 설계 및 합성하였고, 기
존 상업용 흡착제 대비 에너지효율이 최대 12% 이상
향상된다는 것을 확인하였다(Adv. Mater., 27, 4775
(2015)). 이러한 새로운 수분흡착제는 향후 정보기술
이 융합된 스마트 공조기, 에너지 절약형 제습 건조
기 등 냉난방 및 수분제어 기술 개발에 기여할 것으
로 기대된다.
연구실 구성원
본 연구그룹은 2015년 9월 현재, 책임연구원 3명,
선임연구원 2명, 연구원 2명, Post-Doc 3명, UST 및
학연박사 과정 5명의 인원으로 구성되어 있다. 그룹
원들의 노력으로 최근 5년간 4건의 기업체 기술이
전, 65편의 SCI 논문게재와 55편(미국특허 11편 포
함)의 특허를 국내외에 등록 중에 있다.