NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 5, 2015 … 581

연구실소개

한국화학연구원 나노촉매 연구그룹은 그린화학

공정 연구본부 내 나노촉매 연구센터(http://www.

krict.re.kr/dep_03_02)에 소속되어 있으며, 에너지 환

경 및 화학 산업의 여러 문제들을 해결하고 미래의

화학기술을 창출하기 위해 나노촉매 및 나노세공

체 기반의 그린화학 촉매 및 에너지 절약형 흡착제

원천기술 개발 및 실용화를 목표로 연구를 수행하

고 있다. 본 연구그룹에서는 그린화학 분야에서 바

이오매스 유래 화합물로부터 바이오 연료 및 화학제

품 생산, 즉 바이오리파이너리 기술 개발을 위한 나

노촉매의 합성 및 특성분석, 촉매 반응 및 공정 개발

연구를 수행하고 있다. 또한 나노세공체 분야에서는

초다공성, 고표면적의 하이브리드 나노세공체 물질

로 알려진 Metal-Organic Framework (MOF)의 대량

합성을 위한 수열합성, 나노입자 제조를 위한 마이

크로파 합성, MOF 골격 불포화자리의 아민 기능화,

한국화학연구원 나노촉매 연구그룹(Nanocatalyst Research Group in KRICT)

장종산, 황영규, 황동원한국화학연구원 나노촉매 연구그룹, jschang@krict.re.kr

그림 1. PLA 벨류 체인 및 주요 연구 기관

582 … NICE, 제33권 제5호, 2015

연구실소개

수열안정성 MOF 물질의 에너지 절약형 수분제어,

촉매 및 흡착분리 등의 응용 연구를 수행하고 있다.

본 연구그룹은 해당 분야의 원천특허 확보와 개발된

기술의 실증화를 위해 집중하고 있고 이와 함께 논

문 발표 및 게재를 통해 해당 분야의 과학자들과의

소통과 협력에도 노력하고 있다.

주요 연구분야

1) 락타이드 모노머 제조 촉매 기술

바이오리파이너리 기술은 바이오매스 자원에 기

반 원료를 이용하여 화학제품 및 연료를 생산하는

기술이며, 석유화학 기술 대비 지구온난화 문제를

해결할 수 있는 탄소순환형 기술로서 기대를 모으

고 있다. 특히, Polylactic acid (PLA)는 바이오매스로

부터 얻을 수 있는 가장 유망한 바이오플라스틱으

로 주목을 받고 있다. PLA 제조 기술은 1990년대 초

미국의 NatureWorks사에서 상업화에 성공한 후 현

재 연 14만톤 규모로 거의 독점적으로 생산하고 있

으며, 해당 공정에서는 젖산을 고진공 조건에서 균

일계 촉매를 이용하여 예비중합/해중합 2단계 공정

을 통해 락타이드 모노머를 제조 후 축중합 반응을

거쳐 PLA를 제조하게 된다. 현재 국내외적으로 PLA

수지를 활용한 응용제품 개발에는 많은 연구 및 사

업화가 진행 중이지만 아직까지 국내에서는 PLA 수

지의 핵심원료가 되는 락타이드 모노머 제조 기술이

확보되지 않아서 PLA관련 바이오플라스틱 시장 진

입이 어려운 상황이다.

본 연구그룹에서는 새로운 락타이드 제조기술 확

보를 위해 2009년부터 젖산발효액으로부터 락타이

드 모노머 제조 기술에 대한 기초 및 실증 연구를 진

행하고 있다. 특히, 최근에는 기존의 Sn 균일계 촉매

공정에 기반한 2단계 락타이드 제조 기술과 경쟁할

수 있는 고활성의 나노복합체 촉매와 이를 이용한

락타이드의 1단계 직접적 전환 기술을 개발하여 특

허를 출원하였으며, 상업화 공정 개발을 위한 연구

를 진행 중에 있다. 본 연구그룹에서 개발한 새로운

공정은 상압 운전으로 90% 이상의 높은 락타이드의

수율을 얻을 수 있으며, 메조-이성체 및 올리고머 부

산물이 기존 공정에 비해 크게 감소하여 반응 폐기

물이 발생하지 않는 장점이 있기 때문에 차세대 친

환경 락타이드 제조 기술로서 활용이 기대된다.

2) 바이오매스 유래 플랫폼 화합물의 전환 기술

본 연구그룹에서는 락타이드 모노머 제조 기술과

함께 촉매기술을 이용한 다양한 바이오매스 유래 플

랫폼 화합물의 업그레이딩 연구도 진행하고 있다.

대표적인 연구 내용으로는 젖산발효액을 정제가 용

이한 알킬락테이트로 전환하고, 이를 활용하여 락타

이드 및 프로필렌글리콜을 제조할 수 있는 촉매 공

정을 개발 중에 있다. 또한, 바이오디젤 부산물인 글

리세롤의 수소화를 통한 프로필렌글리콜 제조, 숙신

그림 2. 락타이드 제조 기술 비교

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 5, 2015 … 583

한국화학연구원 나노촉매 연구그룹

산 수소화를 통한 감마부티로락톤/1,4-부탄디올 제

조 및 레불린산 수소화를 통한 감마-발레로락톤/메

틸테트라하이드로퓨란 제조를 위한 Cu계 나노촉매

기술을 확보하고 있다. 최근에는 에너지 밀도 및 옥

탄가 등이 가솔린과 유사하기 때문에 차세대 연료로

서 관심을 받고 디메틸퓨란을 고수율로 제조할 수

있는 촉매 공정을 개발하고 후속 연구를 진행하고

있다. 아울러, 미정제 에탄올을 업그레이딩하여 바

이오항공유를 제조하는 촉매 기술 개발도 진행하고

있다.

3) 바이오리파이너리용 불균일촉매 기술

식물자원 바이오매스들은 발효나 수소화 반응을

통해 대부분 다가 유기산이나 다가 알콜 형태의 바

이오매스 유래 플랫폼 화합물로 전환되는데 이러한

플랫폼 화합물들은 많은 관능기를 갖고 있어 원하는

화학제품이나 바이오연료로 전환하기 위해 촉매를

이용한 탈기능화(Defunctionalization) 과정을 거치게

된다. 탈기능화를 위해 가수분해, 탈수, 이성화, 개

질, Aldol 축합, 수소화, 선택적 산화, 수소화 분해 등

의 화학반응을 위해 촉매가 필요하며, 이를 위해 다

그림 3. 바이오플랫폼화합물을 이용한 바이오플라스틱/연료 제조 기술

그림 4. Cu-SiO2 나노복합촉매에 의한 바이오매스 유래 유기산 및 에스테르의 수소화, 탈수소화 및 수소화 분해 반응

584 … NICE, 제33권 제5호, 2015

연구실소개

양한 종류의 불균일계 나노촉매를 개발하고 있다.

그림 4에 예시한 바와 같이 본 연구그룹에서는 다

양한 바이오매스 유래 유기산 및 에스테르의 수소

화, 탈수소화 및 수소화 분해 반응을 위한 Cu-SiO2

나노복합체 촉매를 개발하여 성능을 입증한 바 있

다(ChemSusChem, 8, 2345 (2015)). 이 촉매는 바이오

매스 유래 화합물의 탈기능화 촉매로 유용하게 사용

될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 그래핀옥사이드

(Graphene oxide) 표면에 슬폰산기(SO3H)를 부착시킨

브뢴스테드 고체산 촉매를 개발하여 포도당으로부

터 C5 레블린산(Levulinic acid) 제조공정에 적용한 바

있다(Green Chem., 15, 2935 (2013)).

탄소수가 작은 모노카르복시산은 바이오매스 발

효에 의해 제조될 수 있으며, 바이오 연료 및 화학제

품의 원료로 활용될 수 있다. 그러나 모노카르복시

산 원료는 물이나 용매 속에서 부식성이 있기 때문

그림 5. 바이오매스 유래 부틸산의 선택적 수소화를 위한 Ru-Sn/ZnO 나노촉매 및 이를 이용한 새로운 바이오부탄올 하이브리드 합성공정

그림 6. 화학(연)에서 개발한 하이브리드 나노세공체 KRICT F100의 대량합성 시료 및 MIL-100/101 물질의 특성 및 응용관련 저널에 게재된 표지논문 그림

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 5, 2015 … 585

한국화학연구원 나노촉매 연구그룹

에 액상 촉매 반응이 진행될 때 불균일계 촉매의 구

조를 붕괴시키거나 활성성분을 용출시켜 촉매 비활

성화를 유도하는 경향이 있다. 따라서 모노카르복시

산 전환을 위한 촉매 비활성화 없는 고활성과 고선

택성의 불균일 촉매의 개발은 바이오리파이너리 분

야에서 해결해야 할 과제 가운데 하나이다. 본 연구

그룹에서는 모노카르복시산의 선택적 수소화에 효

과적인 Ru-Sn/ZnO 나노촉매를 개발하였고, Ru3Sn7

의 합금 자리가 촉매 활성점으로 작용한다는 것을

발견하였다. 이 촉매를 포도당 발효로부터 제조한

부틸산(Butyric acid)의 기상 수소화 반응에 적용하여

95% 이상의 바이오 부탄올 수율을 얻을 수 있는 새

로운 하이브리드 전환 공정을 개발하였다. 이 촉매

는 반응조건에서 3500 시간 이상 사용한 후에도 촉

매 비활성화 없이 고수율과 선택성을 그대로 유지

되는 특징을 나타내었다(US Patent 7,847,134 (2010);

ChemSusChem, 7, 2998 (2014)). 이 촉매는 내부식성

이 필요한 유기산의 C=O기를 선택적으로 환원시킬

수 있는 촉매 반응에 효과적으로 활용될 수 있을 것

으로 기대된다.

4) 하이브리드 나노세공체 MOF의 대량합성 및 응

용 기술

하이브리드 나노세공체 MOF 물질은 현재까지 보

고된 물질 가운데 표면적과 다공성이 가장 높은 배

위고분자 화합물로서 다양한 기능을 갖고 있어 화학

산업에 널리 이용되는 제올라이트 나노세공체의 세

공크기, 구조 및 기능적 한계를 넓혀줄 것으로 기대

되고 있다. 본 연구그룹에서는 2,000 ~ 4,500 m2/g 범

위의 세계 최고수준의 표면적과 흡착성능을 갖는 여

러 종의 MOF 물질을 개발하고 흡착제, 촉매, 멤브레

인, 약물전달 지지체 등의 형태로 다양한 흡착, 분리

및 반응 특성을 관찰하였다. 또한 에너지 절약형 수

분제어 기술에 활용될 수 있는 결정성 유무기 하이

브리드 나노세공체의 초고수율 수열합성 및 마이크

로파 합성 기술 개발에 성공하였다.

본 연구그룹의 하이브리드 나노세공체는 2005년

부터 프랑스 CNRS 연구소와 공동연구를 통해 성공

적으로 개발되었고, 일부 물질과 수열합성 및 응용

기술에 대해서는 한국화학연구원 단독 또는 프랑스

CNRS와의 공동으로 특허를 출원하고 있다. 본 연구

그룹에서는 나노크기의 MOF 합성 기술, 촉매 및 흡

착 응용을 위한 MOF 골격 불포화자리의 아민 표면

기능화 기술, 100oC 이하의 저온 재생이 가능한 수

열안정성 MOF 물질의 에너지 절약형 제습 및 냉방

기술 등을 최초로 개발하여 논문을 게재하고 특허화

한 바 있다. 현재 하이브리드 나노세공체 분야에 10

편의 미국특허 포함 약 50여편의 국내외 특허를 등

그림 7. Al계 하이브리드 나노세공체 MIL-160 수분흡착제와 이를 이용한 흡착식 히트펌프/냉동기 응용기술 결과

586 … NICE, 제33권 제5호, 2015

연구실소개

록하였고, 일부 특허 이전계약을 포함하여 사업화를

위한 포트폴리오를 준비하고 있다.

현재 다양한 MOF 물질의 대량합성 기술을 개발

하고, 흡착제 및 촉매물질로 적용하기 위해 노력하

고 있다. KRICT F100로 명명된 MIL-100 구조의 Fe-

MOF의 경우 저온 저압의 수열합성 기술로 생산되

며, 1700 kg/m3.day의 매우 높은 공시간 수율로 얻어

질 수 있다. 이 물질은 이 분야 최초로 상업 생산을 진

행 중인 독일 BASF사의 Fe계 하이브리드 나노세공

체에 비해 표면적과 흡착성능이 40% 이상 향상되었

고 생산 수율은 최대 80배 이상 향상되었다. BASF사

의 물질에 비해 결정성과 구조는 물론 촉매 및 흡착

특성도 차별화된 물질로 확인되었다. 현재 1 배치당

150 kg 수준의 파일롯 규모 생산 성능이 검증되어 미

국 Strem Chemicals사를 통해 시약으로 공급 중이며,

(http://www.strem.com/resource/19/literature_sheets-

metal_organic_frameworks_mofs_and_ligands_for_mof_

synthesis)국내외 일부 기업들과 수분 및 기체 흡착제

로서의 활용에 대해 협의를 진행하고 있다.

또한 본 연구그룹에서는 단위무게당 70 - 150%의

수분 흡착량으로 기존 상업용 수분 흡착제 대비 2 -

6배 이상의 흡착량을 갖는 메조세공 하이브리드 나

노세공체를 60 - 80oC의 중저온 폐열 또는 태양열에

의해 손쉽게 신속 재생이 가능한 에너지 절약형 수

분제어 기술에 적용될 수 있는 최고 수준의 수분흡

착제로 개발하였다(Adv. Mater., 24, 806 (2012)). 최근

에는 프랑스 CNRS 연구소와 공동으로 신재생 에너

지원 활용이 가능한 수분흡착식 히트펌프의 핵심 소

재인 Al-MOF 수분흡착제를 설계 및 합성하였고, 기

존 상업용 흡착제 대비 에너지효율이 최대 12% 이상

향상된다는 것을 확인하였다(Adv. Mater., 27, 4775

(2015)). 이러한 새로운 수분흡착제는 향후 정보기술

이 융합된 스마트 공조기, 에너지 절약형 제습 건조

기 등 냉난방 및 수분제어 기술 개발에 기여할 것으

로 기대된다.

연구실 구성원

본 연구그룹은 2015년 9월 현재, 책임연구원 3명,

선임연구원 2명, 연구원 2명, Post-Doc 3명, UST 및

학연박사 과정 5명의 인원으로 구성되어 있다. 그룹

원들의 노력으로 최근 5년간 4건의 기업체 기술이

전, 65편의 SCI 논문게재와 55편(미국특허 11편 포

함)의 특허를 국내외에 등록 중에 있다.