- 용융함침기반 금속 촉매 제조 기술로 촉매 생산성 크게 높여

- 특허청장상 수상으로 기술의 우수성 인정받아

■ 한국에너지기술연구원(원장 곽병성, 이하 ‘에너지연’) 청정연료연구실 박지찬 박사팀은 고성능의 저가 고체 촉매 제조기술을 개발하고 이를 통해 ㈜하이젠과 자동화 촉매 합성 장치를 개발하는데 성공했다.

□ 이번에 개발된 기술은 수화된 금속염의 낮은 용융점을 이용하는 용융함침공정 기반의 고성능 고체 촉매 합성 기술이다. 이 기술은 기존의 복잡한 촉매 합성법에 비해 과정이 간단하면서도 고성능의 촉매를 얻을 수 있다는데 의의가 있다.

  ○ 현재 자동차, 연료전지, 의약산업에 폭넓게 이용되고 있는 고체 촉매는 ¹⁾공침법, ²⁾습식담지법 에 의해 주로 만들어 지는데, 과정 중 유해 용매를 사용하거나 촉매 합성 후에도 폐용액이 발생하는 문제가 존재했다. 상대적으로 활성이 높은 나노촉매 또한 복잡한 합성 과정, 높은 제조가격, 낮은 ³⁾재현성 탓에 실제 상용화까지 가기는 매우 어려운 상황이다.

  1) 공침법 : 금속 촉매 전구체와 지지체 전구체를 함께 침전시킨 뒤 열처리하는 방법 

  2) 습식담지법 : 지지체와 함께 용매에 녹인 금속 전구체 용액을 건조시킨 후 열처리하는 방법

  3) 재현성 : 실험으로 얻어진 값을 같은 조건하에 재실험했을 때 측정치가 일치하는 정도

  ○ 이를 해결하기 위해 연구진은 고체 촉매 합성에 필요한 ¹⁾금속염을 유해 용매 사용 없이 ²⁾지지체에 녹여 균일하게 ³⁾함침 할 수 있는 용융함침공정을 개발하고 공정 조건과 촉매 활성화 조건을 최적화하는데 성공했다. 촉매 제조 과정을 단순화하고 유해 용매 사용을 없애 간단한 방식으로 친환경적인 촉매를 제조할 수 있게 된 것이다.

  1) 금속염 : 금속을 포함하고 있는 산이 중화 반응을 하여 물과 함께 생기는 금속 화합물

  2) 지지체(촉매 담체) : 촉매 기능을 지닌 물질을 분산시켜서 안정하게 담아 유지하는 고체

  3) 함침 : 액체를 고체에 스며들게 하는 조작

  ○ 특히 이 공정을 통해 합성된 금속 촉매는 기성 촉매에 비해 금속 나노입자가 5~10% 더 함유돼있다. 일반적으로 촉매 내 금속 나노입자의 비율을 높일수록 촉매의 생산성이 높아지는 반면 안정성이 떨어지지만, 연구원의 촉매는 상대적으로 높은 나노입자 비율에도 반응성과 안정성이 뛰어나 활용 시 생산성을 크게 개선할 수 있다.

□ 연구팀은 이 기술을 기반으로 ㈜하이젠과 자동화 촉매 합성 장치를 개발하는데 성공했으며 상용화를 눈앞에 두고 있다. 

  ○ 연구팀이 개발한 자동화 촉매 합성 장치는 촉매 제조 시 필요한 숙성(Aging), 가열(Heating), 소성(Calcination) 과정을 미리 설정된 값에 맞춰 자동적으로 진행될 수 있게 하는 장치다. 즉, 전기밥솥에서 백미, 잡곡을 고르는 것처럼 설정 값만 바꿔주면 비전문가도 쉽게 촉매를 합성할 수 있다.

□ 연구책임자인 박지찬 박사는 “기술 개발을 통해 향후 고체 촉매 뿐만 아니라, 흡착제 등의 다양한 나노 물질 합성에 있어서도 쉽고 빠른 자동화 기술 적용이 가능할 것으로 기대된다”며 “이를 통해 개발된 물질의 다양한 제조법들은 공유 가능한 플랫폼 기술을 통해 다가올 제4차 산업혁명에 필요한 빅 데이터를 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

□ 한편, 연구원이 개발한 용융함침공정 기반 촉매 합성 기술은 '2017 대한민국지식재산대전(주최:특허청, 2017년 11월 30일(목)~12월 3일(일), 코엑스)'에 참가해 특허청장상을 수상하는 등 대외적으로도 우수성을 인정받았다.

  ○ 본 기술은 한국에너지기술연구원 주요사업의 일환인 창의형 연구 과제(과제명: 저가 고생산성 나노촉매 핵심 기술 개발 및 성능 실증)로 논문 9편, 국내 특허 14건, 해외특허 9건을 보유하고 있으며, 2019년까지 기술의 완성도를 더욱 높여갈 계획이다.