초록 ▼

1. 제목
나노 촉매 개발과 응용 기술 동향

2. 사업의 배경 및 목표

가. 사업의 배경

나노기술은 다양한 산업의 기반기술로 적용될 수 있어 그 중요성이 매우 크며, 관련 연구가 국내·외에서 활발히 진행되고 있음.
나노기술은 대상물질의 크기를 나노 스케일로 형성시키고, 크기에 따라 변화된 물질의 물리화학적 성질을 연구하는 분야임.

또한 촉매는 수많은 화학반응의 중심역할을 하는 물질로 의약품, 정밀화학, 폴리머, 염료산

1. 제목
나노 촉매 개발과 응용 기술 동향

2. 사업의 배경 및 목표

가. 사업의 배경

나노기술은 다양한 산업의 기반기술로 적용될 수 있어 그 중요성이 매우 크며, 관련 연구가 국내·외에서 활발히 진행되고 있음.
나노기술은 대상물질의 크기를 나노 스케일로 형성시키고, 크기에 따라 변화된 물질의 물리화학적 성질을 연구하는 분야임.

또한 촉매는 수많은 화학반응의 중심역할을 하는 물질로 의약품, 정밀화학, 폴리머, 염료산업 등의 공정에서 다양한 촉매를 사용하고 있음.

특히 에너지 및 환경문제를 해결하기 위한 촉매개발은 나노기술과 밀접하게 관련되어 진행되고 있으며, 나노촉매를 활용할 경우 다양한 촉매반응의 반응도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려지고 있음.
나노촉매기술은 활성물질인 다양한 금속 나노입자들의 크기, 형상 및 조성을 자유롭게 조절할 수 있고, 촉매지지체의 표면적을 획기적으로 증진시킬 수 있는 장점이 있음.
상기 언급된 나노촉매의 구조적 인자들이 촉매 반응의 활성과 선택성에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구가 체계적으로 진행되고 있음.

하지만 관련 산업으로의 파급효과가 큰 상위기술은 국외 연구자들에 의해 먼저 개발되고 있는 실정임.
특히 미국의 나노촉매기술은 국내의 연구에 비해 원천성이 높고 질적 수준이 높은 것으로 판단되어 이에 대한 첨단 정보를 수집하고, 우리의 대처방안을 시급히 강구할 필요가 있다고 판단됨.

따라서 세계 일류수준의 연구를 수행하고 있는 PNNL(Pacific Northwest National Lab.), Oak Ridge National Laboratory, University of Delaware, University of California at Berkeley, Stanford University 및 Stony Brook University 등과 같은 연구그룹에 소속된 교포과학자 및 이공계 유학생과의 인맥을 구축하고, 관련 신기술을 중점적으로 조사할 계획임.

또한 고효율의 나노촉매를 국내기술로 개발할 경우, 전 세계적으로 자원이 한정된 희유금속의 소모량을 획기적으로 줄일 수 있음.
대부분의 촉매활성물질은 Pt, Pd, Rh 등과 같은 백금계 금속과 La, Ce 등과 같은 희토류 금속으로, 자원 빈국인 우리나라의 경우 관련분야의 기술력을 바탕으로 나노촉매를 개발하여야 함.

최근 미국, 일본과 같은 선진국에서는 나노촉매개발을 컴퓨터 모델링을 기반으로 예측하고, 디자인하려는 다양한 시도를 하고 있음.
계산화학을 통해 나노촉매를 설계하는 분야의 권위자인 Stanford University의 Norskov 그룹에서 연구 중인 유종석 박사의 도움을 받아 해당기술의 관련 정보를 수집, 정리, 분석함으로써 국내 나노촉매기술의 확보방안을 효과적으로 수립하고자 함.

석유를 대체 할 수 있는 유일한 대체 에너지원으로 바이오매스가 주목을 받고 있음. 개발된 나노 촉매를 바이오매스 전환에 활용함으로써 에너지 및 환경 문제를 해결할 수 있는 새로운 방안을 강구하고자 하였음.
Stony Brook University의 김태진 교수의 도움을 받아 액체연료 개발에 이용되는 목질계 바이오매스 (Lignocellulosic biomass) 촉매 변환 공정에 관한 조사를 통해 개발된 나노 촉매의 활용방안을 수립하고자 하였음.

나. 사업의 목표

나노촉매분야의 신기술을 확보하고 있는 미국, 일본 등 선진연구그룹의 나노물질과 다공성 물질의 합성기술, 담지기술 및 응용기술에 대한 현황을 조사하고, 독자적 국내기술 확보를 위한 방안을 강구하고자 함.

에너지 및 환경문제를 해결할 수 있는 나노촉매 기술과 관련된 정보를 우선적으로 수집, 분석하여 희유금속 대체, 저감 방안과 연계함으로써 국내 나노촉매기술 확보 방안을 보다 효과적으로 수립하고자 함.

계산화학을 기반으로 새로운 물성을 지니는 금속물질을 발굴하고, 나노촉매를 설계하는 신기술을 중점적으로 조사할 계획임.

일본을 중심으로 희유금속 대체, 저감과 관련하여 기술개발 중인 대상 금속 현황을 분석하고, 대체 관련 기술개발 정보를 수집, 정리, 분석함으로써 국내 희유, 유가 금속 기술 확보를 위한 방안을 강구함.

석유 자원의 대체 에너지원으로 2세대 목질계 바이오매스에 중점을 두고 촉매 변환 공정을 통한 액체연료 생산의 가능성을 분석 및 검토하였음.

3. 사업의 내용 및 범위

관련 내용에 대한 논문, 특허, 인터넷 자료 수집, 분석

세계 일류 연구그룹에 소속된 핵심 연구자와의 인맥 구축

관련 학술대회 참석 및 정보 수집

핵심 연구자 초청 및 세미나 개최

국내 전문가 워크숍 개최

4. 조사 결과

가. 활동 수행 내용

미국의 경우 연구책임자가 현지를 방문하여 교포과학자 및 이공계 유학생들과의 교류를 통해 관련 정보를 수집할 계획임. 이 외에도 일본, 서울 및 대만에서 개최되는 주요 국제학회에 참석하여 계산화학과 관련된 촉매설계 현황과 다양한 산업으로의 응용연구에 대한 정보를 수집할 계획임.

본 과제 수행을 위해 미국 University of Pennsylvania의 이대연 교수, Georgia Institute of Technology의 장승순 교수, University of Texas at Austin의 황경순 교수, Pacific Northwest National Laboratory의 신용순 박사, University of California at Berkeley의 안광진, 서대하 박사, 동경대학의 김웅걸 박사과정, Stanford University의 유종석 박사, University of Delaware의 윤장호 박사과정 및 Stony Brook University의 김태진 교수 등의 도움을 받아 선진기술에 대한 정보를 수집하고 국내로의 활용방안을 논의함.

미국의 나노촉매관련 제조, 활용 및 개발 신기술 현황을 조사하기 위해 관련 연구기관을 방문, 기술정보를 수집하고, 핵심 연구자와 인맥을 구축하고, 활용방안을 모색하고자 함. 본 사업의 지원으로 참석함.
: NAM (North American Catalysis Meeting)이 개최되는 Louisville 및 주변 연구기관 : 2013. 6월정보수집 계획: 학회 참가자는 물론, 본 사업 활용 대상자인 PNNL 신용순 박사, UC Berkeley 안광진 박사, U Penn의 이대연 교수, Texas대 황경순 교수 등과 직접 만나거나 연락을 통해 최근 연구 동향, 관련 정보 등을 수집하였음.

-일본 촉매분야 심포지엄에 참석하여 일본의 나노촉매 개발현황을 조사하고, 연구 협조 기관을 방문하고자 함. 본 사업 외의 지원으로 참석함. : 일본 Nagoya 에서 개최되는 한일촉매심포지엄 및 Nagoya University : 2013. 7월정보 수집 계획: 나고야에서 개최되는 한일촉매심포지엄에 참석. 동경대학 서정숙 박사과정을 비롯한 유학생들을 활용하여 일본의 나노 촉매 최근 연구 동향을 파악하고 정보를 수집함.

DFT 계산 등 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 촉매 설계 현황 조사를 위해 서울에서 개최되는 관련분야 국제학회인 WCCE9에 참석하는 연구자들과 접촉하여 컴퓨터를 활용한 용도별 최적 물질 개발 및 나노 물질관련 신기술에 대한 기술 정보를 수집하고 연구자 인맥을 구축함.
: 대한민국 서울 : 2013. 8월정보 수집 계획: WCCE9에 방문 예정인 교포 학자들을 중심으로 특히 DFT 계산 관련 미국의 연구 동향을 파악하고 정보를 수집하였음.

제 6차 국제 아시아-태평양 촉매학회 (APCAT6)가 10월 14일부터 17일까지 대만에서 개최됨. 이 학회에 참석하여 촉매 관련 희유금속, 유가금속 대체, 저감 방안, 계산화학을 이용한 촉매 설계 등에 대해 전 세계에서 참석한 여러 참석자들로부터 정보를 수집하고, 관련 자료를 정리할 계획임. 본 사업 외의 지원으로 참석하였음.
: 대만 Taipei에서 개최되는 APCAT6 국제학회 : 2013. 10월정보 수집 계획: 아시아-태평양 촉매학회에 참석 예정인 일본의 유학생을 활용하여 일본의 다양한 촉매 관련 연구 동향을 조사하였음.


나. 활동 수행성과

관련분야 연구개발과제 도출
년 한국연구재단의 BK21 PLUS 사업에 본인이 소속하고 있는 고려대 BK21플러스 창조적 융합형 화학공학 인력양성 사업단이 선정됨. 본 사업을 통해 취합한 정보를 활용하여, 우수한 연구실적을 거두었으며, 이 실적들을 바탕으로 세계 수준의 연구력 제고를 위한 BK21 PLUS 사업을 유치함. 본인은 BK21플러스 창조적 융합형 화학공학 인력양성 사업단 단장으로써 세계 수준의 전문가 양성을 위한 인재 육성 프로그램을 총괄하였음. 년 2월 한국 과학기술 연구소의 “H2O2 산화제를 사용한 메탄의 직접전환에 의한 함산소화합물 합성 촉매 개발”이라는 주제로 과제가 선정됨. 본 과제는 이번 사업을 통해 얻은 나노 촉매입자 제조 기술을 적용하여 나노 입자를 제조하고, 이를 활용한 촉매 반응 시스템을 통해 메탄을 직접 전환하는 연구를 제안하였음.본 사업에서 파악한 세계 촉매 기술 연구의 트렌드에 맞추어, 국내 촉매 기술 전문가와의 집단 연구를 통해 차세대 창의?융합 인재를 양성 하고자 선도연구센터 지원 사업 (Engineering Research Center) 지원을 추진 중임.

논문 및 특허의 기초자료로 활용
Journal of Nanoscience and Nanotechnology에 게재된 “Highly dispersed ruthenium nanoparticle-embedded mesoporous silica as a catalyst for the production of γ-butyrolactone from succinic anhydride”에는 Ru 촉매의 나노입자화와 제조된 나노입자의 담지에 대한 새로운 신기술을 적용함. 본 사업에서 습득한 나노입자의 합성 및 담지화 기술을 적용하여 이룩할 수 있었던 연구 성과임.
Applied Catalysis A: General에 게재된 “Effects of a sodium carbonate (Na2CO3) additive on the conversion of phenethyl phenyl ether (PPE) in high-temperature water”에는 바이오매스의 주요 성분 중의 하나인 리그닌의 모델물질인 PPE의 분해에 관한 논문으로서 본 사업에서 습득한 바이오매스의 전환 기술을 바탕으로 연구한 성과임.
Applied Catalysis B: Environmental에 개제된 “The catalytic activity of Pd/WOx/-Al2O3 for hydrodeoxygenation of guaiacol”는 바이오 물질인 리그닌의 분해산물 중 하나인 guaiacol을 이용하여 여러 가지 화합물로 전환하는 촉매에 관한 논문으로써 이 역시 본 사업에서 습득한 바이오매스의 전환기술을 바탕으로 연구한 성과임.
Journal of Molecular Catalysis A: Chemical에 개제된 “Direct synthesis of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen over single-crystal cubic palladium on silica catalysts”에는 균일한 크기를 가지며 특정 면 [100]만을 갖는 Pd 나노입자를 합성하는 신기술이 적용되었으며, 이 입자를 담지하여 반응에 적용하였음. 이 역시 본 사업에서 습득한 나노입자의 합성기술을 적용하여 이룩할 수 있었던 연구 성과임.
위의 논문 내용을 기반으로 “근임계수 상에서 알칼리염을 사용하여 리그닌의 β―Ｏ―4 결합을 가수분해 하여 방향족 화합물을 생성하는 방법”의 국내특허가 등록됨. (10-1302692)
위의 논문 내용을 기반으로 리그닌의 분해물질 중 하나인 guaiacol의 수첨탈산소 반응용 촉매제조에 관한 특허로 두 편의 국내특허가 등록되었고 1편의 국제 특허가 출원됨. (10-1336981, 10-1336982, 10-2013-0144209)

국내 전문가 워크숍 개최: “2014 나노 융합 포럼 (나노 소재 기술 워크숍)”과 “2014 나노 융합 포럼 (나노 촉매 기술 워크숍)”을 고려대와 부산대에서 개최함. 본 사업 내용의 연구를 국내에서 활발하게 수행하고 있는 연구자들을 모시고 그동안 얻은 정보를 공유하는 워크숍을 개최함.

관련분야의 해외 인적 네트워크 확보
나노물질 합성의 권위자인 University of California at Berkeley의 Somorjai 그룹에서 연구 중인 안광진 박사, 나노물질 응용 및 분석의 권위자인 University of California at Berkeley의 Alivisatos 그룹에서 연구 중인 서대하 박사와 계산화학의 권위자인 Stanford University의 Norskov 그룹에서 연구 중인 유종석 박사 등과 교류함.
이 외에 PNNL의 신용순 박사, University of Delaware의 윤장호 박사과정, Stony Brook University의 김태진 교수와 교류함.

5. 조사의 활용계획

다음과 같은 다양한 주요 또는 미래 산업의 소재 개발 연구, 정부 투자는 물론 민간의 상업화 방향 설정에 본 사업성과의 활용이 가능함.
화석에너지의 한계로 인해 활발하게 기술 개발을 하고 있는 신재생에너지 관련하여 사용되는 금속을 나노 기술을 이용하여 귀금속 및 희유금속의 저감이 가능함.
- 태양전지: In, Ga, Cd, Ru 등의 희유금속들이 사용됨.
- 2차 전지: Li, Co의 전극물질 개발에 나노 기술의 적용이 가능함.
- 수소·연료전지: 나노 기술을 적용하여 Pt, Pd와 같은 귀금속의 사용량을 줄일 수 있음.
- 풍력: 같은 효율을 보이면서 Nd, Dy의 사용량을 줄이기 위한 나노 기술의 접목이 가능.
다양한 분야의 미래 신 성장 동력 산업에 사용되는 금속들을 효율적으로 사용하기 위해서 나노 기술의 접목이 가능함.
- 미래형 자동차: Nd, Dy (자석), Li, Co (2차 전지), Ni, Co, La, Ce (수소전지)
- 조명, LED: Ga, In, Y, Tb, Eu
- 열전 재료: Bi, Te
- 연마제: Ce
- 초강합금: W
석유자원의 고갈로 대체에너지 자원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 석유자원의 고갈 후 화합물질생산을 대체할만한 것은 바이오메스의 전환이 유일함.

학회 발표, 워크숍 개최, 논문 투고, 정책 제안 등을 통해 본 사업의 성과를 관련 연구자와 정부 정책 입안자들에게 유용한 정보로서 제공될 수 있도록 활용할 계획임.

본 사업의 성과는 미래 산업 소재 확보 전략으로 활용되어 관련 산업의 국가 경쟁력 제고가 기대됨. 자원 빈국인 국내 사정을 감안할 때 이와 같이 최적화되고 안정적인 소재 확보 전략은 비단 소재 산업 뿐 만 아니라 조선, 자동차, 전자/반도체, 화학 산업 등 국가 주력산업은 물론, 신재생에너지, 원자력 등 새로운 성장 동력 산업 전반에 큰 파급 효과를 줄 수 있을 것으로 기대됨.