[대전=뉴스충청인] 미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택, 이하 기계연) 플라즈마연구실 이대훈 박사팀은 국가과학기술연구회 융합연구개발사업*을 통해 플라즈마-촉매 융합 반응 과정에서 금속 촉매의 환원을 효과적, 효율적으로 진행시킬 수 있는 기술적 방법을 찾아 플라즈마-촉매 융합 반응 연구의 새로운 방법론을 제시했다.

* 사업명:‘저탄소/저공해를 위한 나노촉매-플라즈마 하이브리드 기술개발’, 한국기계연구원과 한국화학연구원이 공동 수행하며, 조선대학교와 한양대학교가 위탁기관으로 함께 연구 중임.

대부분의 화학공정은 원하는 물질을 선택적으로 반응 생성물로 만들어 내는 촉매 반응에 기반한다. 이 때 사용되는 금속 촉매는 반복 사용에 따라 산화되며 촉매로서의 기능을 잃게 된다. 촉매의 기능을 회복시키기 위하여 일반적으로 열 환원 반응을 활용하는데, 이는 고온의 환원기체를 공급하여 금속산화물에서 금속상태로 환원을 시키는 방법이다. 이 때 고온이 촉매의 구조변화를 일으키기 때문에 환원된 촉매의 성능은 충전식 배터리와 유사하게 지속적으로 감소하고 결국은 촉매를 교체해야 한다.

이대훈 박사, 조선대학교 공동 연구팀은 본 연구에서 금속촉매를 환원할 때 플라즈마를 활용하면 열 환원 반응 보다 낮은 온도에서 더욱 빠르게 환원시킬 수 있다는 점을 알아냈다. 일반적으로 사용되는 환원기체인 수소기체에 플라즈마를 가하면 기체가 방전되어 화학적으로 반응하기 쉬운 H 라디칼**로 변한다. 기존 열 환원 반응에서는 수소 분자가 금속 촉매에 흡착된 후 이미 흡착되어 있는 산소와 결합하고 탈착되는 과정을 통해 환원되지만 H 라디칼은 금속 촉매에 흡착하지 않고 산소와 직접 결합하여 OH 라디칼을 형성한 후 바로 금속 촉매에서 탈착됨으로써 환원 속도가 훨씬 빠르다.

** 라디칼: 최외각 전자가 홀전자 상태로 있는 화학종, 홀전자 상태라서 화학적 반응이 쉬움.

논문 공동 제1저자 겸 책임저자인 이대훈 박사는 “플라즈마-촉매 융합 반응을 통해 산화된 금속촉매를 보다 낮은 온도에서 빠르게 환원시킴으로써 금속 촉매의 구조변화를 막을 수 있고 결과적으로 촉매 교체시기를 지연하는 것이 가능해 질 것”이라며, “이번에 밝혀진 새로운 환원 원리를 적용하여 화학 산업에 기여하고 싶다”고 밝혔다.

이번 연구는 유럽 내 촉매 관련 화학 분야에서 가장 권위 있는 저널로 2016년 2월 18일에 발행된 「CHAMCATCHEM*** Vol.8, Issue 4」 표지논문으로 선정됐다. 또한 연구팀은 2014년에도 플라즈마-촉매 반응 과정에서 발생하는 촉매의 활성 저하가 반응 경로에 미치는 영향을 규명하여 Plasma Process and Polymers(IF 2.96, 상위5%저널) Vol.11 Number 5에 표지논문으로 선정된 바 있으며, 2016년 6월 노르웨이 트롬소(Tromso)에서 개최 예정인 11차 NGCS(Natural Gas Conversion Symposium)에 초청 강연 초대를 받는 등 관련 연구 분야에서 최고의 연구팀으로 인정을 받고 있다.

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