▲ 플라즈마-촉매 융합 반응 연구의 새로운 방법론을 제시한 기계연 이대훈 박사.

산화된 금속 촉매를 환원할 때 플라즈마를 활용하면 일반적인 열 환원 반응보다 낮은 온도에서 더 빠르게 환원되는 현상과 그 원리를 규명한 논문이 세계적 학술지 표지논문으로 선정됐다.

미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택, 이하 기계연) 플라즈마연구실 이대훈 박사팀은 국가과학기술연구회 융합연구개발사업을 통해 플라즈마-촉매 융합 반응 과정에서 금속 촉매의 환원을 효과적, 효율적으로 진행시킬 수 있는 기술적 방법을 찾아 플라즈마-촉매 융합 반응 연구의 새로운 방법론을 제시했다.

대부분의 화학공정은 원하는 물질을 선택적으로 반응 생성물로 만들어 내는 촉매 반응에 기반한다. 이 때 사용되는 금속 촉매는 반복 사용에 따라 산화되며 촉매로서의 기능을 잃게 된다. 촉매의 기능을 회복시키기 위하여 일반적으로 열 환원 반응을 활용하는데, 이는 고온의 환원기체를 공급하여 금속산화물에서 금속상태로 환원을 시키는 방법이다. 이때 고온이 촉매의 구조변화를 일으키기 때문에 환원된 촉매의 성능은 충전식 배터리와 유사하게 지속적으로 감소하고 결국은 촉매를 교체해야 한다.

이대훈 박사, 조선대학교 공동 연구팀은 본 연구에서 금속촉매를 환원할 때 플라즈마를 활용하면 열 환원 반응 보다 낮은 온도에서 더욱 빠르게 환원시킬 수 있다는 점을 알아냈다.

일반적으로 사용되는 환원기체인 수소기체에 플라즈마를 가하면 기체가 방전돼 화학적으로 반응하기 쉬운 H 라디칼로 변한다. 기존 열 환원 반응에서는 수소 분자가 금속 촉매에 흡착된 후 이미 흡착되어 있는 산소와 결합하고 탈착되는 과정을 통해 환원되지만 H 라디칼은 금속 촉매에 흡착하지 않고 산소와 직접 결합하여 OH 라디칼을 형성한 후 바로 금속 촉매에서 탈착됨으로써 환원 속도가 훨씬 빠르다.

논문 공동 제1저자 겸 책임저자인 이대훈 박사는 “플라즈마-촉매 융합 반응을 통해 산화된 금속촉매를 보다 낮은 온도에서 빠르게 환원시킴으로써 금속 촉매의 구조변화를 막을 수 있고 결과적으로 촉매 교체시기를 지연하는 것이 가능해 질 것”이라며 “이번에 밝혀진 새로운 환원 원리를 적용하여 화학 산업에 기여하고 싶다”고 밝혔다.

이번 연구는 유럽 내 촉매 관련 화학 분야에서 가장 권위 있는 저널로 2016년 2월18일에 발행된 ‘CHAMCATCHEM Vol.8, Issue 4’ 표지논문으로 선정됐다.

또한 연구팀은 2014년에도 플라즈마-촉매 반응 과정에서 발생하는 촉매의 활성 저하가 반응 경로에 미치는 영향을 규명하여 Plasma Process and Polymers(IF 2.96, 상위5%저널) Vol.11 Number 5에 표지논문으로 선정된 바 있으며, 2016년 6월 노르웨이 트롬소(Tromso)에서 개최 예정인 11차 NGCS(Natural Gas Conversion Symposium)에 초청 강연 초대를 받는 등 관련 연구 분야에서 최고의 연구팀으로 인정을 받고 있다.