하경수

본 발명은 기존 탄소 나노물질의 한계를 극복하기 위해, 메조다공성 무기 주형의 내부 표면을 각인한 3차원 메조다공성 그래핀 구조체를 저비용의 습식 화학반응으로 제조하는 방법을 제안합니다. 팔라듐 코팅, 금속 도금, 유기고분자 유입, 어닐링 및 금속 제거 단계를 포함하여 기공 크기가 조절된 그래핀을 형성합니다. 이 그래핀 구조체는 높은 비표면적, 우수한 전기 전도성, 기계적 강도 및 화학적 안정성을 가지므로, 촉매, 전극, 에너지 저장 매체 등 다양한 분야에 효율적으로 활용될 수 있습니다. 본 기술은 차세대 고성능 소재 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.

본 발명은 기존 MFI 제올라이트의 물질 전달 한계를 극복하고 아세틸렌 기반의 지속 가능한 방향족 화합물 생산을 위한 혁신적인 해결책을 제시합니다. 마이크로다공성과 메조다공성을 모두 포함하는 계층적 MFI 제올라이트 제조 방법을 개발하였습니다. 이는 비벤젠계 제1 구조유도제와 벤젠고리 및 암모늄이온 함유 제2 구조유도제를 동시에 사용하여 구현됩니다. 본 촉매는 기존 제올라이트의 우수한 특성을 유지하면서도 물질 전달 효율을 극대화하여, 아세틸렌으로부터 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등 고부가가치 방향족 화합물로의 전환 반응에서 탁월한 촉매 활성을 보입니다. 특히 자일렌 생산 수율을 최대 7배 향상시켜 지속 가능한 화학 산업 발전에 기여할 수 있습니다. 본 기술은 친환경적이고 효율적인 방향족 화합물 제조를 가능하게 합니다.

아세틸렌 방향족화 반응에 사용되는 제올라이트 촉매는 코크 형성으로 인해 쉽게 비활성화되며, 기존의 고온 재생 방식은 촉매 구조를 손상시키는 문제를 안고 있습니다. 본 발명은 이러한 한계를 극복하고자, 상온·상압에서 고전압 플라즈마를 이용하여 비활성화된 제올라이트 촉매의 외부 코크와 일부 내부 코크를 선택적으로 제거하는 혁신적인 재생 방법을 제공합니다. 이 플라즈마 재생 기술은 촉매의 결정 구조를 손상시키지 않아 반복적인 사용이 가능하게 하며, 반응 속도를 최적화하여 아세틸렌의 불필요한 소모를 억제하고 코크 생성을 지연시킵니다. 또한, 재생된 촉매는 BTX(벤젠, 톨루엔, 자일렌)에 대한 높은 선택도를 유지하여 고부가가치 방향족 화합물의 생산 효율을 획기적으로 향상시킵니다. 안정적이고 경제적인 방향족 화합물 생산에 기여할 본 기술은 화학 산업에 새로운 가능성을 제시합니다.

메탄 이량화 공정에서 발생하는 반응 베드의 탄소 침적(코크)은 촉매 활성을 저하시키고 재생에 어려움을 주었습니다. 특히 기존 고온 열처리 방식은 촉매 구조 손상을 야기하는 문제점이 있었습니다. 본 기술은 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마를 활용하여 비활성화된 메탄 이량화 반응 베드 내 코크를 산화 분위기에서 저온 플라즈마 처리로 효과적으로 제거합니다. 이 '제자리(in-situ) 재생' 방식은 기존 고온 열처리 대비 촉매 구조를 보존하며 에너지 효율을 높입니다. 이를 통해 메탄으로부터 C2+ 탄화수소(에틸렌, 에탄) 및 수소를 연속적으로 고효율 생산할 수 있습니다. 본 발명은 친환경적이며 경제적인 메탄 활용 방안을 제시합니다.

기존 피셔-트롭쉬 촉매는 활성 저하 및 구조 불안정성 등의 문제로 효율적인 탄화수소 합성에 어려움이 있었습니다. 본 발명은 규칙적인 메조다공성 주골격을 가진 코발트-철 하이브리드 촉매를 개발하여 이러한 한계를 극복합니다. 이 촉매는 코발트 산화물과 철 산화물이 균일하게 혼재된 3차원 구조를 가지며, 경질 주형 기법으로 제조됩니다. 고온 및 가혹한 반응 조건에서도 높은 활성과 뛰어난 구조적 안정성을 유지하여, 별도의 조촉매 없이도 안정적인 피셔-트롭쉬 반응을 가능하게 합니다. 특히, 기존 촉매 대비 활성점 수가 현저히 증가하고 활성 물질의 소결 현상이 억제되어 촉매 수명 연장 및 반응 효율 극대화에 기여합니다. 이를 통해 합성가스로부터 C2-C4 경질 탄화수소 및 C5+ 중질 유분 탄화수소를 선택적으로 고수율 생산할 수 있습니다. 수송용 연료 및 화학원료 물질 제조에 혁신적인 솔루션을 제공합니다.

기존 고온/고압 조건에서 수행되던 COx 수소화 반응 및 오염물질로 인해 활용이 어려웠던 산업 부생가스 문제를 해결합니다. 본 기술은 방전영역에 COx 수소화 촉매층이 구비된 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마 반응기를 활용하여, 외부 열 공급 없이 저온 및 상압 조건에서도 효율적으로 경질탄화수소를 제조할 수 있습니다. 이를 통해 중금속, 분진 등 불순물을 포함한 부생가스 및 폐가스를 고부가가치 화학제품으로 전환하여 경제적, 환경적 가치를 창출합니다. 친환경적인 방식으로 탄소 자원화를 실현하는 혁신적인 솔루션입니다.