박지찬 에너지연 박사 "나노물질 자동화 합성 적용 가능"
용융함침기반 금속 촉매 제조기술로 촉매 생산성 높여
한국에너지기술연구원(원장 곽병성)은 박지찬 청정연료연구실 박사 연구팀이 고성능 저가 고체 촉매 제조기술을 개발하고 이를 통해 기업 하이젠과 자동화 촉매 합성 장치를 개발했다고 24일 밝혔다.
연구팀이 개발한 기술은 수화된 금속염의 낮은 용융점을 이용하는 용융함침공정 기반의 고성능 고체 촉매 합성 기술이다. 이 기술은 기존의 복잡한 촉매 합성법에 비해 과정이 간단하면서도 고성능의 촉매를 얻을 수 있다.
고체 촉매는 자동차, 연료전지, 의약 등의 산업에 폭넓게 이용되며 주로 공침법1), 습식담지법2)에 의해 만들어진다. 하지만 이는 유해 용매를 사용하거나 촉매 합성 후에도 폐용액이 발생하는 문제가 존재했다. 활성이 높은 나노촉매 또한 복잡한 합성 과정과 높은 제조가격, 낮은 재현성3)으로 실제 상용화에는 한계가 있었다.
| ◆용어설명 공침법1): 금속 촉매 전구체와 지지체 전구체를 함께 침전시킨 뒤 열처리하는 방법 습식담지법2): 지지체와 용매에 녹인 금속 전구체 용액을 건조한 후 열처리 방법 재현성3): 실험으로 얻은 값을 같은 조건에 재실험했을 때 측정치가 일치하는 정도 |
연구팀은 이를 해결하기 위해 고체 촉매 합성에 필요한 금속염4)을 유해 용매 사용 없이 지지체5)에 녹여 균일하게 함침6) 할 수 있는 용융함침공정을 개발해 공정 조건과 촉매 활성화 조건을 최적화하는 데 성공했다. 촉매 제조 과정을 단순화하고 유해 용매 사용을 없애 간단한 방식으로 친환경적인 촉매를 제조할 수 있다.
| ◆용어설명 금속염4): 금속을 포함하고 있는 산이 중화 반응을 하여 물과 함께 생기는 금속 화합물 지지체5)(촉매 담체) : 촉매 기능을 지닌 물질을 분산시켜서 안정하게 담아 유지하는 고체 함침6): 액체를 고체에 스며들게 하는 조작 |
특히 이번 공정을 통해 합성된 금속 촉매는 기성 촉매에 비해 금속 나노입자가 5~10% 더 함유돼있다. 일반적으로 촉매 내 금속 나노입자의 비율을 높일수록 촉매의 생산성이 높아지는 반면 안정성이 떨어진다.
하지만 연구팀이 개발한 촉매는 상대적으로 높은 나노입자 비율에도 반응성과 안정성이 뛰어나 활용 시 생산성을 크게 개선했다.
연구팀은 이번 기술을 기반으로 기업 하이젠과 자동화 촉매 합성 장치를 개발하는데 성공했다.
연구팀이 개발한 자동화 촉매 합성 장치는 촉매 제조 시 필요한 숙성(Aging), 가열(Heating), 소성(Calcination) 과정을 미리 설정된 값에 맞춰 자동적으로 진행되는 장치다. 예로 전기밥솥에서 백미, 잡곡을 고르는 것처럼 설정값만 바꿔주면 비전문가도 쉽게 촉매를 합성할 수 있다.
박지찬 에너지연 박사는 "기술 개발을 통해 향후 고체 촉매뿐만 아니라 흡착제 등의 다양한 나노 물질 합성에서도 쉽고 빠른 자동화 기술 적용이 가능할 것"이라며 "물질의 다양한 제조법들은 빅데이터로 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.
한편, 이번 기술은 '2017 대한민국지식재산대전'에 참가해 특허청장상을 수상하는 등 우수성을 인정받았다.
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