최신연구성과

  • 장민 교수 연구팀, 대기 중 CO2 활용, 탄산프로필렌 생산을 위한 단일 원자 촉매 개발

    조회수 879 | 작성일 2023.01.13 | 수정일 2023.01.13 | 홍보팀

  • 장민 교수 연구팀, 대기 중 CO2 활용, 탄산프로필렌 생산을 위한 단일 원자 촉매 개발

    - 국제저명 학술지 Wiley 출판의 Small (IF: 15.153)에 논문 게재 -

     

    본교 장민 교수 연구팀(환경공학과)은 황건덕(Wong Kien Tiek) 박사후 연구원(1저자)와 함께 높은 표면적(박리된 GCN)을 지니고 있고, 가장자리에 NH2가 풍부하며, 고립된 Mo 원자를 가진 것을 특징으로 하는, 단일 원자 Mo로 도핑된 흑연질 탄소 질화물(graphitic carbon nitride, GCN) 나노시트를 개발하였다. 이를 이용하여 본 연구팀은 산화프로필렌 (propylene oxide, PO)에 이산화탄소(CO2)의 촉매 삽입(catalytic insertion)을 위한 활성 부위의 가용성을 최대화하였고, 고리 첨가 공정을 통해 공업용 가치가 있는 탄산프로필렌 (propylene carbonate, PC)를 얻을 수 있었다.

     

    (좌) Kien Tiek Wong 박사후 연구원, (우) 장민 교수
 

    () Kien Tiek Wong 박사후 연구원, () 장민 교수

     

    본 연구팀의 기술은 기술 경제성 평가(Techno-economic assessment, TEA) 결과, 모의 산업 규모에서 시간당 4.4톤의 CO2를 소비하여 시간당 10.2톤의 PC 생산을 할 수 있으며, 연간 6,039만 달러로 추정되는 이익을 낼 수 있을 것으로 추정된다.

    CO2로 인한 환경 문제에 대한 인식이 높아짐에 따라 기후 변화 위협에 대한 전 세계적 대응이 한층 커지고 있다. 따라서 기후 변화에 관한 정부 간 패널(Intergovernmental Penal on Climate Change, IPCC)은 산업화 이전 수준의 지구 온도 달성을 위해 대기 중 CO2 제거의 중요성을 강조하고 있다. 온실 가스를 대기 또는 점 오염원에서 분리하는 탄소 포집 및 활용은 CO2를 포집한 후 광범위한 부가가치 화학 물질로 변환하는 새로운 기술이자 매력적인 전략이라고 할 수 있다.

     

    대기 중 CO2 활용, 탄산프로필렌 생산을 위한 단일 원자 촉매 개발
     

    그런데 열역학적 및 동역학적으로 안정적인 CO2C=O 결합의 활성화를 위해 806 kJ mol-1의 높은 에너지를 필요로 하기에, 본 연구팀은 촉매 내에 루이스 산/염기 그룹이 공존하도록 하는 방법을 사용하여 CO2 고리첨가(cycloaddition) 성능을 향상시켰다. 이는 전자 결핍 Mo 원자와 POO 원자 사이의 배위 결합 형성에 의해 CO2가 고리에 첨가되는 것을 용이하게 하는 반면, -NH2 표면 그룹은 전자를 낮은 수준의 빈 궤도에 공여하여 CO2 결합의 안정성을 방해한다. DFT 시뮬레이션 결과, Mo2GCN 촉매 성능이 PO 개환에 대한 활성화 에너지 장벽을 50-60에서 4.903 kcal mol-1로 크게 감소시킴을 확인할 수 있었다. 또한, 재사용 실험을 통해 PC생산에 대한 촉매의 안정성이 입증되어 CO2 저감과 PC의 지속 가능한 생산에 있어 활용가능성 높을것으로 사료된다.

    한편, 본 연구는 교육부의 한국연구재단 기초과학연구사업 (2021R1A6A1A03038785) UNIST(울산과학기술원)2022년도 연구비(1.220038.01)의 지원으로 수행되었으며, 20221120일자 Small(Wiley)"Highly Exposed -NH2 Edge on Fragmented g-C3N4 Framework with Integrated Molybdenum Atoms for Catalytic CO2 Cycloaddition: DFT and Techno-Economic Assessment"라는 제목으로 출판되었다. 기술 경제성 평가는 UNIST 에너지화학공학과의 임한권 교수 연구팀과, DFT 시뮬레이션은 고려대학교 화공생명공학과의 곽상규 교수 연구팀과의 협력을 통해 수행되었다.

     

    Weblink: (https://doi.org/10.1002/smll.202204336)

     

     

담당부서 : 홍보팀 / 연락처 : 02-940-5504