그린에너지 나노촉매 연구실

Catalytic dry reforming of methane (DRM) offers a sustainable route for converting greenhouse gases (CH4 and CO2) into syngas, yet suffers from rapid catalyst deactivation due to coke formation. Here, we report a rational approach to control Ni nanostructure and interface properties by tuning the reduction temperature of Ni-substituted La2Ti2O7 perovskite catalysts. Catalysts reduced at 800 °C formed ultrasmall, fully exposed Ni nanoclusters with a Ni−Ni coordination number of ∼3. These clusters were strongly anchored to oxygen-deficient perovskite surfaces, enabling efficient CH4 activation while suppressing carbon accumulation. In contrast, high-temperature (900 °C) reduction induced Ni sintering, loss of surface reactivity, and increased coke formation, whereas low-temperature (600 and 700 °C)-reduced catalysts exhibited negligible activity. Mechanistic studies using CO adsorption FT-IR, CO2-TPD, in situ DRIFTS, and XPS revealed that DRM over the highly active catalyst proceeds via a cooperative mechanism, in which CH4 activation occurs at Ni sites while CO2 is primarily activated on the La2Ti2O7 support.

Supramolecular assembly of biological materials into fibrous structures often provides exceptional functionalities. In the case of synthetic polymers, however, it is challenging to construct fibrous structures in the condensed matrix, primarily due to limited ordering and chain mobility for supramolecular assembly. We present a design strategy of using hydrogen bonding units to facilitate supramolecular assembly in self-healing PDMS-based polymer films, exploring how subtle changes in alkyl spacers affect dynamic mechanical responses. We observed that increasing structural flexibility in hydrogen bonding units enables long-range supramolecular assemblies, leading to the formation of fibrous structures. These structures endow the material with improved mechanical stability under tensile, compressive, and frictional stresses. Notably, the supramolecular assembly responds to molecular-level changes, allowing selective self-healing between corresponding polymers. This molecular-level recognition gave self-alignment in multilayer laminates, enabling autonomous healing and alignment of damaged and misaligned layers. Our findings provide new insights for designing mechanically robust, self-healable, and multi-functional polymers.

The aldol condensation of low-molecular-weight biogenic carbonyl compounds is a crucial step in producing longer-chain intermediates for sustainable aviation fuel (SAF) synthesis. In this study, we developed shaped LaCeOx catalysts to enable an efficient continuous aldol condensation process of furfural and acetone. Three structured catalyst configurations were evaluated: (i) compressed LaCeOx powder formed into disk granules, (ii) pelletized LaCeOx with a bentonite binder, and (iii) a LaCeOx-coated metal foam monolith. While the disk and pellet catalysts suffered from mechanical degradation and pore blockage from byproduct polymerization, the metal form catalyst maintained its structural integrity and exhibited superior productivity. This enhanced performance is attributed to the metal foam’s open porosity, which improves mass transport and minimizes undesired side reactions. Furthermore, the metal form catalyst demonstrated excellent regenerability via air calcination at 673 K, highlighting its potential for long-term operation. Integrating of the optimized aldol condensation with a downstream hydrogenation/hydro-deoxygenation step yielded an aviation fuel precursor with an overall of approximately 39%, underscoring the scalability and feasibility of this approach for SAF production.

포도당의 5-하이드록시메틸푸르푸랄(HMF)로의 촉매 전환은 이성질화 및 탈수 경로를 정밀하게 제어해야 하는 바이오매스 고부가가치화 핵심 공정이다. 본 연구에서는 MFI 및 베타 제올라이트의 촉매 성능을 비교 분석하여 이들의 물리화학적 특성과 HMF 수율 간의 관계를 규명하였다. 촉매의 결정 구조, 기공 구조 및 산성 특성은 X선 회절, N2 흡착-탈착 및 NH3 온도 프로그램 탈착을 통해 체계적으로 분석되었다. 실험 결과 베타 제올라이트가 MFI 제올라이트보다 HMF 수율 측면에서 우수한 성능을 보였으며, 이는 우수한 기공 접근성과 포도당-과당-HMF 연쇄 반응에 유리한 산성 부위의 최적화된 분포에 기인한다. 공정 효율을 더욱 향상시키기 위해 베타 제올라이트 시스템의 반응 조건을 최적화하였다. 반응 온도와 염분 제거제인 NaCl 농도의 영향을 평가하여 부반응을 억제하면서 HMF 생산을 극대화하는 최적 조건을 확립하였다. 본 연구는 제올라이트의 구조적 특성과 산도가 육당류의 선택적 탈수 반응에 미치는 영향을 포괄적으로 규명함으로써 지속 가능한 화학 생산을 위한 이종 촉매 설계에 실용적인 통찰력을 제공한다.

고대역폭 메모리와 이종 집적 반도체의 수요가 증가함에 따라, 반도체 후공정 기술 중에서도 어드밴스드 패키징(Advanced packaging)의 중요성이 급격히 부상하고 있다. 특히 하이브리드 본딩(Hybrid bonding)은 Interconnection인 Cu-Cu 금속 접합과 주변의 절연층-절연층 직접 접합 기술을 통칭하는 핵심 기술로, 고성능 반도체 개발을 위한 필수 공정으로 주목받고 있다. 성공적인 하이브리드 본딩을 위해서는 수 nm 수준의 Cu와 절연층들의 균일한 면대면 접합이 요구되며, CMP(Chemical-mechanical polishing) 공정을 통한 초평탄·저결함 표면 연마가 관건이다. 이번 총설에서는 최근 연구된 CMP 메커니즘을 정리하고 Slurry 첨가제 조성과 평탄도 간의 상관관계를 분석함으로써, CMP 공정의 품질 개선을 위한 Slurry 최적화 전략을 종합적으로 논의한다. 이러한 고찰은 CMP 이해를 심화하는 동시에, 차세대 하이브리드 본딩 공정에 적합한 CMP Slurry 조성 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

탄소 중립 달성과 순환 경제로의 전환을 위해, 폐기물 유래 경질 올레핀을 고에너지 밀도 액체 연료로 전환하는 올레핀 올리고머화 기술이 석유화학 및 운송 분야의 핵심 전략으로 대두되었다. 본 총설에서는 이러한 공정의 핵심 플랫폼인 니켈(Ni) 기반 제올라이트 촉매에 관한 최신 연구 동향을 정리한다. 특히 Cossee-Arlman 메커니즘으로 설명되는 니켈 활성점에서의 사슬 성장과 제올라이트 지지체의 산(acid) 기능 간의 이기능성 상호작용에 주목하여, 이러한 결합이 생성물의 분자 구조 및 선택성 제어에 미치는 영향을 논의한다. 높은 형상 선택성을 지닌 미세다공성 MFI 골격은 가솔린 유분(C5–C12) 생산에 유리하나, 항공유(C8–C16) 및 디젤(C10–C20)과 같은 중질 유분 합성에서는 물질 전달 제약의 극복이 주요 난제로 남아 있다. 이에 대한 해결책으로 계층적 기공 제어, 나노스케일 결정화, 3차원 연결 구조의 대기공 제올라이트 도입, 그리고 cascade/tandem 반응기-촉매 시스템 구성 등의 전략을 살펴본다. 결론적으로 본 총설은 각 유분별 목표 물성을 달성하기 위한 촉매 설계 원리를 요약하고, 상용화를 위해 해결해야 할 기술적 과제와 향후 연구 방향에 대해 제언한다.