Methane Dehydroaromatization을 위한 제올라이트 기반 촉매 연구
(Zeolite-Based Catalysts for Methane Dehydroaromatization)
메테인을 기반으로 하는 방향족 생산 기술의 실현
(Toward Non-Petroleum Aromatics Production from Methane)
메탄은 지구상에서 가장 풍부하게 존재하는 탄화수소 자원이자, 천연가스·셰일가스·바이오가스 등을 통해 대량으로 확보 가능한 원료입니다. 하지만 그 화학적 안정성으로 인해, 고부가가치 화합물로의 전환을 위해서는 높은 반응 활성과 선택성을 동시에 갖춘 정교한 촉매 설계가 필수적입니다.
본 연구에서는 메탄을 방향족 화합물(특히 벤젠류)로 직접 전환하는 Methane Dehydroaromatization(MDA) 반응에 주목하고 있습니다. 특히, 금속-제올라이트 복합 촉매 시스템을 중심으로 하여, 반응 활성, 방향족 선택성, 촉매 안정성의 균형을 제어하는 전략을 개발하고 있습니다.
MFI, MWW 등 다양한 골격 구조를 갖는 제올라이트에 Mo, Fe, Zn 등의 전이금속을 고분산시키고, 이들의 위치, 산-염기 특성, 코크 억제 능력 등을 정밀하게 조절함으로써 메탄 전환의 효율을 극대화하는 것이 핵심입니다. 또한, 반응 조건 하에서 촉매의 구조 변화와 활성점의 작동 메커니즘을 규명하기 위해 정밀 분석 및 제어 기술도 함께 활용하고 있습니다.
이 연구는 비석유계 방향족 생산이라는 새로운 화학 산업 패러다임을 여는 기초 기술로서, 탄소중립 시대의 지속가능한 화학 공정을 향한 중요한 전환점을 제시할 수 있을 것입니다.
Methane is one of the most abundant hydrocarbon resources on Earth, widely available from natural gas, shale gas, and biogas. However, due to its high chemical stability, converting methane into more valuable chemicals requires highly active and selective catalysts.
Our research focuses on the Methane Dehydroaromatization (MDA) reaction, which enables the direct transformation of methane into aromatic compounds such as benzene. In particular, we work on the design and development of metal-zeolite bifunctional catalysts that can effectively balance activity, selectivity, and stability.
By incorporating transition metals such as Mo, Fe, or Zn into zeolites with various framework structures (e.g., MFI, MWW), we aim to control the location, dispersion, and interaction of active sites. This allows for precise tuning of the reaction pathways, enhancing C–C bond formation while suppressing coke formation that deactivates the catalyst.
Through this work, we hope to contribute to the development of sustainable, non-petroleum routes for aromatic production, which can serve as a key technology in the carbon-neutral era.
Hydrogen is gaining attention as a next-generation energy source capable of replacing fossil fuel-based energy systems, particularly clean hydrogen, which is regarded as one of the key resources to achieve carbon neutrality. Our research focuses on the development of technologies covering the entire hydrogen lifecycle, from production to storage and utilization.
▶ Hydrogen Production:
We are researching carbon-reducing hydrogen production processes that use dry reforming of methane (DRM) and CO₂–steam combined reforming of methane (CSCRM) technologies. These methods simultaneously utilize greenhouse gases, CO₂ and CH₄, to produce hydrogen and syngas. In particular, we focus on maximizing reaction efficiency and catalyst stability through the design of highly active and durable metal-ceramic composite catalysts.
▶ Hydrogen Storage:
The produced hydrogen must be stored safely and efficiently. We am researching liquid organic hydrogen carriers (LOHC) and ammonia (NH₃)-based storage technologies. These media not only allow for high-density storage of hydrogen but also enable the stable recovery of high-purity hydrogen when needed, making them highly practical.
▶ Hydrogen Utilization:
Stored hydrogen is converted into valuable chemicals such as methanol and low-molecular hydrocarbons through CO₂ hydrogenation reactions. This goes beyond simple hydrogen fuel use, contributing directly to carbon utilization and the realization of carbon neutrality, making it a high-value technology.
This research aims to establish an integrated hydrogen technology platform for solving energy-environment issues, and ultimately, we expect it to contribute to the realization of a sustainable hydrogen society.
청정 수소(Clean Hydrogen)의 생산부터 저장, 활용까지: 전주기 기반 기술 개발
(Clean Hydrogen Production, Storage, and Utilization : Development of Lifecycle-Based Technologies)
탄소중립 시대를 위한 통합형 솔루션
(Integrated Solutions for the Carbon-Neutral Era)
수소는 화석 연료 기반 에너지 시스템을 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목받고 있으며, 특히 청정 수소(Clean Hydrogen) 는 탄소중립을 실현할 핵심 자원 중 하나로 평가받고 있습니다. 우리는 수소의 생산부터 저장, 그리고 활용에 이르는 전주기 기술 개발을 중심으로 연구를 수행하고 있습니다.
▶수소 생산 (Hydrogen Production):
메탄을 기반으로 한 건식 개질 반응(Dry Reforming of Methane, DRM) 및 복합개질(CO₂–Steam combined Reforming of Methane, CSCRM) 기술을 통해, 온실가스인 CO₂와 CH₄를 동시에 활용하여 수소와 합성가스를 생산하는 탄소 저감형 수소 생산 공정을 연구하고 있습니다. 특히, 고활성·고내구성의 금속-지지체 복합 촉매 설계를 통해 반응 효율과 촉매 안정성을 극대화하는 데 중점을 두고 있습니다.
▶ 수소 저장 (Hydrogen Storage)
생산된 수소는 안전하고 효율적으로 저장되어야 하며, 이를 위해 액상유기수소운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) 및 암모니아(NH₃) 기반 저장 기술을 연구하고 있습니다. 이러한 매체는 수소를 고밀도로 저장할 수 있을 뿐 아니라, 필요 시 고순도의 수소를 안정적으로 회수할 수 있어 실용성이 높습니다.
▶ 수소 활용 (Hydrogen Utilization)
저장된 수소는 이산화탄소 수소화 반응(CO₂ Hydrogenation) 을 통해 메탄올, 저분자 탄화수소 등 유용한 화학물질로 전환됩니다. 이는 단순한 수소 연료 활용을 넘어, 탄소 자원화(Carbon Utilization) 와 탄소중립 실현에 직접적으로 기여할 수 있는 고부가가치 기술입니다.이 연구는 에너지-환경 문제 해결을 위한 통합형 수소 기술 플랫폼 구축을 목표로 하며, 궁극적으로 우리의 연구는 지속 가능한 수소 사회 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
이산화탄소 수소화 반응을 통한 메탄올 및 탄화수소 합성
(Catalytic CO₂ Hydrogenation to Methanol and Hydrocarbons)
탄소 배출원을 유용한 화학 자원으로 전환하기 위한 연구
(Turning Carbon Emissions into Valuable Chemical Resources)
지구 온난화의 주요 원인 중 하나인 이산화탄소(CO₂)의 증가는 인류가 직면한 가장 심각한 환경 문제 중 하나입니다. CO₂를 수소화 반응을 통해 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술은 탄소 배출을 줄이는 동시에, 지속가능한 연료 및 화학소재를 생산할 수 있는 매우 유망한 해결책입니다.
우리는 CO₂를 메탄올 및 저분자 탄화수소(C₂⁺) 로 전환하는 불균질계 촉매 시스템의 개발에 주력하고 있습니다. Cu, Zn, Fe 등의 활성 금속과 제올라이트, 금속 산화물, 탄소 기반 지지체를 결합한 다기능성 촉매를 설계하여, 반응 활성, 선택성, 내구성을 모두 향상시키는 것이 주요 목표입니다.
특히, 메탄올이나 C₂⁺ 탄화수소와 같은 목표 생성물을 선택적으로 생산하고, 동시에 CO나 메탄과 같은 비선호 생성물의 생성을 억제하는 반응 경로 제어가 핵심 과제입니다. 이를 위해 촉매의 구조, 활성점 환경, 반응 속도론 간의 상관관계를 연구하며, 산-염기 특성, 금속 분산도, 금속-지지체 간 상호작용 등을 정밀하게 조절하는 전략을 도입하고 있습니다.
이 연구는 CO₂를 유용한 화학 원료로 전환하는 탄소중립 기반 기술로서, 녹색화학과 순환탄소경제(circular carbon economy)의 실현에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.
The increasing concentration of atmospheric CO₂ is one of the most critical challenges of our time. Transforming CO₂ into value-added chemicals through hydrogenation reactions offers a promising approach to both mitigate carbon emissions and produce sustainable fuels and chemicals.
In this research, I focus on developing heterogeneous catalysts for CO₂ hydrogenation, aiming to convert CO₂ into methanol and light hydrocarbons with high efficiency, selectivity, and long-term stability. My work involves the design of multi-functional catalysts that combine active metal components (such as Cu, Zn, or Fe) with tailored support materials like zeolites, metal oxides, or carbon-based frameworks.
One of the key challenges is to control the reaction pathways—especially to favor desirable products like methanol or C₂⁺ hydrocarbons—while suppressing side reactions such as CO or methane formation. To address this, I study the relationship between catalyst structure, active site environment, and reaction kinetics, and explore strategies to tune the acid-base properties, metal dispersion, and metal-support interactions.
Ultimately, this research aims to contribute to the development of carbon-neutral chemical processes by transforming CO₂ from a waste gas into a useful feedstock—aligning with the goals of green chemistry and circular carbon economy.
