Catalysis
Advantages of Photocatalysis, Especially for CO₂ Reduction:
1.Utilization of Solar Energy: Photocatalytic CO₂ reduction harnesses sunlight as the energy source, enabling the direct conversion of solar energy into chemical energy, which is both sustainable and environmentally friendly.
2.Mild Reaction Conditions: Unlike thermo-catalytic processes that require high temperatures and pressures, photocatalysis typically proceeds under ambient conditions, making it energy-efficient and safer.
3.Reduction of Greenhouse Gases: It provides a pathway to mitigate CO₂ emissions by converting a major greenhouse gas into useful fuels or value-added chemicals such as CO, CH₄, or methanol.
4.Potential for Artificial Photosynthesis: Photocatalytic CO₂ reduction mimics natural photosynthesis, paving the way for the development of artificial photosynthetic systems that can produce clean energy carriers.
알칼라인 수전해 반응
재생에너지를 활용한 수전해 기술은 탄소 발생이 거의 없는 그린 수소 생산 반응으로, 재생에너지의 불안정한 에너지 공급 문제를 수소를 통한 에너지 저장으로 대체할 수 있어 유망하게 연구되고 있다.
알칼라인 환경에서 수소 발생 반응은 산성 환경과 다르게 물에서 양성자를 얻는 과정이 추가적으로 필요하고 구동 전류 환경에서 수소 기체에 의한 저항이 생겨 성능이 떨어지는 단점이 있다.
알칼라인 환경에서 산소 발생 반응은 4번의 전자가 이동하는 복잡한 반응으로, 주로 활발하게 연구되고 있는 니켈-철 수산화물의 전도성 문제로 인해 실 산업계 적용에 어려움이 있다.
이에 본 연구실은 수소 발생 촉매를 위해 특별한 구조 변화 없이 촉매 표면을 친수성을 띄게 만들기 위해 heterointerface engineering을 적용한 촉매 표면을 개발하였고 산소 발생 촉매를 위해 높은 전도성을 갖지만 알칼라인 환경에서 불안정한 몰리브데넘 산화물 촉매 표면을 덮는 철 산화물 촉매를 개발하여 효율적인 수소 생산 활성화를 위한 촉매 기술을 개발하였다.
건식 메탄 개질 촉매 반응
건식 메탄 개질(Dry Reforming of Methane, DRM)은 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 고온에서 반응시켜 합성가스(H2 + CO)를 생산하는 공정으로, 온실가스 저감과 고부가가치 화학원료 생산을 동시에 달성할 수 있다. 이는 탄소 순환과 수소 경제에 기여하는 지속 가능한 촉매 반응 기술로 주목받고 있다.
건식 메탄 개질반응은 700 °C 이상에서 반응이 진행되기 때문에 촉매 소결로 인한 안정성문제가 있으며, 또한 메탄의 열분해로 인해 생성되는 코크의 침적 문제로 인해 상용화에 어려움을 겪는다.
이에 본 연구실은 촉매 활성점의 소결 방지 및 코크 침적을 방지하는 촉매 구조를 개발함과 동시에, 국소 가열 및 정교한 온도제어가 가능한 전자기유도 가열 촉매 및 공정 시스템을 개발함으로써 건식 메탄 개질 반응을 상용화를 이뤄내고자 한다.
화학 루핑 암모니아 합성 질소 전달체 개발
암모니아는 탄소중립 연료의 핵심 물질로 전체 생산량의 약 50%가 고온·고압 조건의 하버-보슈 공정에 의존하고 있으며, 이는 전 세계 에너지 소비의 1–2%를 차지한다.
화학 루핑 암모니아 합성, Chemical Looping Ammonia Synthesis(CLAS)는 금속 질화물을 질소 운반체로 활용하는 산화/환원 순환 반응을 통해, 상압에서도 높은 선택도로 암모니아를 합성할 수 있는 에너지 효율적인 대안으로 주목받고 있다.
합성이 간단하고, 열화학적 안정성이 높으며, 질소 선택 흡착 특성이 우수한 금속 질화물은 CLAS 공정의 질소 전달체로 각광 받는 물질이다.
본 연구실에서는 담체를 도입한 금속 질화물 기반 질소 전달체를 합성하고 이를 통해 상압 공정 암모니아 수율 및 격자 질소 재생성 향상을 유도함으로써 고효율 고안정성 CLAS 질소 전달체 개발 연구를 진행 하고 있다.