최민기 교수의 연구실 EGCL의 연구 목표는 에너지, 환경 분야에서 중요한 흡착제 및 촉매 설계에서 학술적 원천성과 실용성을 모두 갖춘 기술들을 개발하는 것입니다. 연구실의 특장점은 많은 기업과의 협업으로 실제 공정에 대한 이해도가 우수하면서도, 깊은 화학지식과 독창성을 바탕으로 제올라이트, 탄소, 고분자 및 이들의 복합체를 분자 및 나노 영역에서 합리적으로 설계할 수 있는 역량이 있다는 것입니다. 대표적인 연구내용들을 요약하면 다음과 같습니다. - CO2 포집을 위한 고성능 고체 흡착제 설계 - 수소화 및 탈수소화 촉매 개발 - 제올라이트 기반 고체 산촉매 개발 - 방사성 137Cs+ 및 90Sr2+제거를 위한 흡착 소재 개발

□ CO2 포집을 위한 고성능 고체 흡착제 설계

아민 고분자를 담지한 다공성 물질은 수분이 존재하는 저농도(<15%)의 이산화탄소(CO2)를 효과적으로 흡착하기 때문에 배기가스나 공기중의 CO2 포집을 위한 흡착제로 널리 연구되어왔습니다. 그러나 대부분의 연구들이 흡착제의 CO2 흡착양 향상에 초점을 맞추어 왔고, 재생 에너지, 장기 안정성, 대량생산성 및 제조 비용과 같은 공학적 측면은 신중하게 고려하지 않았습니다. 본 연구실은 CO2 흡착제 개발에서 요구되는 다양한 공학적 요구사항들을 동시에 만족시키기 위한 소재 설계를 진행하였습니다. 온도교대(TSA) 공정 조건에서 높은 CO2 흡착양과 뛰어난 안정성을 동시에 나타낼 수 있는 흡착제를 경제적으로 합성할 수 있는 전략을 제시하였으며(Nat. Commun., 2016, 7, 12640; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1803), 산화안정성(Nat. Commun., 2018, 9, 726), 수분안정성(ChemSusChem, 2017, 10, 2518) 및 SO2 안정성(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 16586)을 획기적으로 향상할 수 있는 전략들을 개발하였습니다. 본 일련의 기술은 국내 유수의 환경기업인 ECOPRO에 기술이전 되었습니다.

 

□ 수소화 및 탈수소화 촉매 개발

각종 지지체 위에 안정화시킨 금속 촉매는 정유 및 화학 산업의 다양한 수소화(hydrogenation), 탈수소화(dehydrogenation) 반응에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 촉매 시스템에서 지지체 물질은 분산된 활성 금속을 안정화할 뿐만 아니라 강한 금속-지지체 상호작용에 의해 촉매 특성에 큰 영향을 줍니다. 본 연구실은 이러한 금속-지지체 작용력을 다양한 화학적 기법을 이용하여 조절하고, 고성능 수소화, 탈수소화 촉매를 개발했습니다. 그 예로 팔라듐(Pd) 촉매를 황을 포함하고 있는 고분자 분자층으로 코팅함으로써, 에틸렌에 포함된 아세틸렌 불순물을 선택적으로 제거할 수 있는 촉매를 개발하였습니다(Sci. Adv., 2020, 6(28), eabb7369; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 12482). 또한 프로필렌을 생산하는 공정인 프로판탈수소화공정(propane dehydeogenation, PDH)에서 매우 우수한 활성, 선택성, 재생성을 보이는 Pt, Ga이 도핑된 알루미나 촉매를 개발한 바 있습니다(ACS Catal., 2021, 11, 10767; ACS Catal., 2016, 6, 2819).

 

□ 제올라이트 기반 고체 산촉매 개발

제올라이트 기반 고체 산촉매는 다양한 정유화학 공정의 탄화수소 이성질화(isomerization), 크래킹(cracking), 방향족화(aromatization), 알킬화반응(alkylation)에서 널리 이용되어 왔습니다. 본 연구실은 분자확산을 극대화하기 위해 제올라이트의 결정 크기를 나노 미터 단위에서 억제, 조절하고, 산점의 분포를 조절할 수 있는 화학적 기법들을 개발했습니다. 이러한 기술을 바탕으로 기존의 제올라이트로는 높은 활성을 얻을 수 없었던 거대 분자의 전환 반응에 적합한 제올라이트 소재(J. Catal., 2012, 288, 115), 디젤디왁싱 공정에서 고선택성 이성질화 특성을 보이는 촉매(J. Catal., 2014, 319, 232), 고성능 방향족화 촉매(J. Catal., 2016, 340, 66) 등을 설계한 바 있습니다. 또한 나노미터 단위의 결정 크기를 갖는 제올라이트 소재를 이용하여 바이오매스에서 추출된 오일을 고품질의 바이오 항공유로 전환하는 촉매 또한 개발한 바 있습니다(ACS Catal., 2017, 7, 6256).

 

□ 방사성 137Cs+ 및 90Sr2+제거를 위한 제올라이트 흡착 소재 개발

원자력발전에서 발생하는 방사성 137Cs+ 및 90Sr2+ 양이온을 선택적으로 제거하기 위한 고성능 제올라이트 기반 이온교환 물질을 설계하였습니다. 기공 구조와 Si/Al 비율이 다른 수많은 제올라이트를 합성하여, 이들 이온의 포집 성능을 결정하는 제올라이트의 중요한 구조적 인자를 이해하기 위한 연구를 진행하였습니다(J. Hazard. Mater., 2021, 408, 124419). 이온교환 실험 및 X-선 회절 분석을 통해 8각형 고리(8MR)를 포함하는 제올라이트가 매우 높은 Cs+ 배위 선택성을 나타내는 것을 세계 최초로 규명하였으며, 이는 Cs+의 이온 크기와 제올라이트 내 8각형 고리의 직경 크기가 일치하기 때문으로 밝혀졌습니다. 또한, 간단한 승화 공정을 통해 제올라이트의 미세 기공 내에 원소 황을 담지하면, 지하수, 바닷물에 존재하는 높은 농도의 경쟁 이온들 존재 하에서도 Cs+ 이온을 선택적으로 포집 할 수 있음을 보고하였습니다(Chem. Mater., 2018, 30, 5777).

                      [CO2 흡착제]                                                   [수소화 촉매]                                         [제올라이트 촉매]                             [방사성원소 흡착제]