그린에너지 나노촉매 연구실

The catalytic role and function of acid sites in solid acid catalysts, such as zeolites, are well understood in the context of heterogeneous catalytic reactions. But although many studies have highlighted the importance of acid sites, their catalytic effects in electrocatalytic reactions have rarely been investigated. In this work, a novel catalyst synthesis strategy is developed, integrating metal sites with acid sites for application in the electrocatalytic glycerol oxidation reaction (EGOR). Specifically, an ordered microporous carbon support containing acidic aluminum sites (AlYTC) is prepared through a nanocasting approach using a sacrificial zeolite template. Platinum (Pt) nanoclusters are then deposited onto the AlYTC support, forming a structure that exposes both acid sites and Pt nanoclusters on a zeolite-templated 3D carbon framework (PtAlYTC). The prepared PtAlYTC catalyst demonstrates a turnover frequency (TOF, s−1) 30 times higher and a reaction rate () 17 times greater than those of a Pt catalyst lacking acid sites (PtYTC) in the EGOR. First-principles density functional theory (DFT) calculations indicate that the combination of Pt sites and acidic Al sites lowers the Gibbs free energy of key reaction steps, improves charge transfer, and strengthens hydrogen adsorption, thereby significantly enhancing the catalytic performance in EGOR.

In Fischer-Tropsch synthesis reaction using cobalt nano-catalyst, the role of zeolite nanosponge containing Brønsted-Lowry acid sites at mesopore walls was revealed to be important to enhance the yield of isomer hydrocarbon in gasoline range. The acid sites on the external surface where the product shows facile diffusion facilitate isomerization action and cracking. By performing systematic investigation, we confirmed that the yield of branched isomers in gasoline range (i-C5-11) gradually increases with increasing the external surface area of the MFI zeolite. This result indicates that the large external surface area is good for high dispersion of cobalt nanoparticles and high concentration of the external acid sites, consequently advantageous to form i-C5-11. Meanwhile, the i-C5-11 selectivity is varied significantly with respect to the acid concentration; the optimal Si/Al ratio, which determines the concentration of Brønsted-Lowry acid sites, was found to be 50, yielding a maximum i-C5-11 fraction of 25.6%. Consequently, the zeolite MFI nanosponge synthesized using di-quaternary ammonium surfactant, with Si/Al=50 is the most suitable supporting material for Co nanoparticles in Fischer-Tropsch synthesis reaction for the purpose producing high-value gasoline fuels.

The CO2 hydrogenation to aromatics reaction is a promising route to mitigate greenhouse gas emissions while producing basic petrochemical feedstocks. Herein, we demonstrate a tandem catalyst system combining iron- and phosphorus- modified ZSM-5 zeolite (Fe-P-ZSM-5) with sodium-promoted zinc ferrite (NaFeZn) to obtain a catalyst for the reaction to directly convert CO2 into aromatics in a single reactor. The NaFeZn catalyst selectively converted CO2 into long-chain olefins as primary products. These olefins were subsequently transformed into aromatics by ZSM-5 zeolites, while paraffins were formed as by-products from the olefin hydrogenation reaction. Compared to ZSM-5, Fe-P-ZSM-5 exhibits enhanced selectivity for aromatics production due to iron and phosphorus modifications that promote aromatization while suppressing hydrogenation. This catalytic enhancement arises from the synergistic interaction between phosphorus and iron. Phosphorus weakens acid strength through its interaction with aluminum, thereby suppressing olefin hydrogenation. Additionally, phosphorus stabilizes iron as an isolated species, which in turn provides distinctive active sites favoring aromatization.

바이오매스 열분해는 유기성 폐자원을 고부가가치 제품으로 전환할 수 있는 유망한 기술이지만, 반응기 설계와 운전 조건의 최적화는 여전히 복잡한 과제로 남아 있다. 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 기반 시뮬레이션은 이러한 복잡한 다상 유동 시스템을 물리적으로 정밀하게 해석할 수 있는 유력한 도구로, 실험적으로 접근하기 어려운 내부 현상을 가상 환경에서 효과적으로 재현함으로써 시스템을 분석하고 개선할 수 있는 수단을 제공한다. 본 논문은 바이오매스 열분해 장치의 정밀한 설계를 위해 CFD를 활용하는 방법과 다양한 적용 사례를 중심으로 최신 연구 동향을 분석한다. 특히 고정층 및 유동층 반응기의 유동 특성, 다상 유동 모델링, 그리고 다양한 운전 조건과 구조 변화에 따른 반응기 내 유동 및 열 전달 해석 기법을 중심으로 다룬다. 아울러, 인공신경망(artificial neural network, ANN) 기반의 경량 예측 모델과 물리 정보 신경망(physics-informed neural network, PINN)을 활용한 물리량 예측 기법, 그리고 고성능컴퓨팅(high-performance computing, HPC)을 통한 산업 규모 시뮬레이션 확장 전략도 함께 소개한다. 최종적으로 본 리뷰는 CFD 기반 해석과 기계학습기법의 융합 가능성을 종합적으로 정리하고, 열분해 반응기의 정밀한 설계 및 최적화를 위한 향후 발전 방향을 검토한다.

Fischer-Tropsch (FT) 합성은 CO와 H2를 이용하여 액체 연료 또는 올레핀 등 탄화수소를 생산하는 기술로, 특히 최근 탄소중립 달성을 위해 대체연료에 대한 수요가 늘면서 큰 주목을 받고 있다. 액체 연료를 효과적으로 생산하기 위해 다양한 촉매들이 연구되고 있으며, 그 중 제올라이트는 특유의 기공 구조와 산점을 활용하여 촉매 성능 향상에 기여한다고 알려져 있다. 또한, 제올라이트의 기공 특성에 따라 생성물 분포가 결정되기도 한다. 예를 들어, 크기가 2 nm 이하의 기공을 갖는 미세다공성 제올라이트는 형상 선택성을 제공하여 가솔린 범위의 가지형 탄화수소를 형성할 수 있지만 물질 확산의 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하고자 2 ~ 50 nm 크기의 메조기공을 제올라이트에 도입하는 전략이 등장하였으며, 이를 도입한 메조 및 위계다공성 제올라이트는 물질 전달을 개선해 촉매 성능 및 공정 효율을 더욱 높일 수 있게 되었다. 따라서, 본 총설은 제올라이트 기반 FT 촉매의 연구 동향을 다루며, 제올라이트의 담지체로서의 역할을 분석하였다. 또한, 메조 및 위계다공성 제올라이트의 Si/Al 비율, 합성 방법, 금속 담지량 등이 FT 생성물 선택도에 미치는 영향을 여러 사례들을 통해 자세히 알아보고, 향후 연구 방향에 대해 제언하고자 한다.

제올라이트는 산소 알루미늄과 규소가 산소 가교로 연결되어 결정을 형성하며 결정 내에 규칙성이 매우 높은 기공 구조를 포함한 물질로 다양한 산업 분야에서 산/염기 촉매(중질유 유동층 접촉분해에서 강산 촉매), 흡착제(탈수 공정에서 고 성능 수분 흡착제), 양이온 교환 수지(경수연화제)로 활용되고 있다 각 분야에서 우수한 성능을 보이는 새로운 구조 또는 다양한 성분의 제올라이트를 개발하기 위해 오랫동안 많은 연구가 진행되었으며 새로운 제올라이트의 특성을 분석하는데 질소흡착측정법, X-선 회절법 전자현미경 기법들이 적극 활용되었다. 과거의 소재 개발에서는 특히 거시적인 분석, 법이 주로 사용되었다. 하지만 최근 탄소중립 이슈가 부각되면서 다양한 분야에서 높은 에너지 효율을 보이며 적용할 수 있는 신규 제올라이트 소재 개발이 강구되면서 제올라이트 표면 특성을 미시적으로 정교하게 조절할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 제올라이트 골격 내의 구조나 물리화학적 특성을 분자 또는 원자 수준에서 정확하게 분석할 수 있는 고도화된 분석 방법이 요구되고 있다. 고체 핵자기 공명(Solid-State Nuclear Magnetic Resonance, 이하 고체 NMR) 분광법은 전자현미경처럼 직관적인 결과를 제공하진 않지만 가장 작은 수준인 원자 수준에서도 해상도가 매우 높은 정보를 제공해줄 수 있는 고급 분석법이다. 청정기술 연구자들도 이미 다방면에서 고체 NMR 분광법을 활용하고 있을 것이다. 이번 총설에서는 여러 청정기술에서 활용되고 있는 소재들 중 일례로 제올라이트 소재에 대해 고체 NMR 분광법을 어떻게 활용하는지, 기본 원리가 어떻게 되는지 심도 있게 다뤄보도록 한다. 특히 제올라이트의 구조와 산점을 고해상도로 분석하는 방법을 여러 사례를 통해 자세히 알아보고, 메탄올 올레핀 및 에틸렌 프로필렌 전환 반응 메커니즘을 규명한 연구들도 함께 살펴보고자 한다.