<좌측> Nguyen Hoang Phuong 석사과정 연구원, <우측> 하경수 지도교수

 

본교 화공생명공학과 하경수 교수 연구팀의 Nguyen Hoang Phuong 석사과정 학생은 서울대학교 한정우 교수 연구팀 (POSTECH 학생 일부)과 함께 온실가스인 메탄 전환 반응에 최적화된 저온 플라즈마 작동형 촉매를 개발하고 실험적으로 검증하고 분석하였다.

 

기존에 다단계로 복잡하게 진행되던 열화학 촉매 공정과 달리, 저온 플라즈마 기술로 비교적 단순하게 온실가스의 직접전환이 상온의 운전 조건에서도 가능하며, 메탄을 다양한 탄화수소로 선택성 있게 전환시킬 수 있음을 DFT로 예측하고 실험으로 검증하였다. 서강대 연구팀은 TiO₂ 계 촉매의 높은 안정성과 선택도에 대해 수년간 연구를 수행함으로써 에틸렌, 아세틸렌, 에탄 등 C2 화합물 생성과 코크 생성 억제에 효과가 있다는 것을 선행연구를 통하여 입증한 바 있다. 아쉽게도 이 촉매군은 높은 안정성에도 불구하고 전환성능이 다소 낮아 생산성을 높이는 데 어려움이 있었다. 이러한 선행연구를 바탕으로, DFT 예측을 통하여 서울대 연구팀은 TiO₂ 촉매에 바나듐 (V) 성분을 도핑하게 되면 촉매성능에 큰 향상이 있다는 계산 결과를 얻었다. 서강대 연구팀은 이 촉매를 저온 플라즈마 환경에서 반응 테스트를 수행하고 반응 후 촉매 샘플을 면밀히 분석함으로써, 메탄 전환율 향상, 에탄 등 C2 선택도 향상, 코크 생성 억제를 통한 안정성 개선 등 큰 효과를 보이는 것을 확인하였다. 도핑량이 다른 샘플들의 성능을 비교함으로써 바나듐을 도핑하는 것만으로 플라즈마 환경에서 기존 촉매의 전환율을 상당히 끌어 올릴 수 있음을 실험으로 입증하였다.

 

 

 

 

 

<그림> 플라즈마 반응 중 CH₄ 전환율 및 C₂ 생성물 선택도(좌); 플라즈마 반응 후 Spent 촉매 TG/DTA 결과(우)

 

기존 TiO₂에 비해 5wt% V으로 도핑된 촉매의 메탄 전환율이 거의 2배로 증가했으며, 수율이 높은 C₂ 생성물 중에 에탄의 생성이 향상되었다. 바나듐 도핑으로 탈수소 반응을 억제하는 효과가 측정되었고, 코크 생성 및 촉매 비활성화 현상도 크게 억제되는 것이 확인되었다.

 

해당 연구는 환경공학 분야 국제 저명 학술지인 Applied Catalysis B - Environment and Energy (IF: 21.1, JCR 상위 1.2%)에 게재되었다.

 

본 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부의 지원으로 수행되었다.

 

(1) 논문 제목: Computationally guided dopant discovery for boosting TiO₂ catalysts in plasma-assisted non-oxidative coupling of methane

(2) 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.126051

(3) 연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/kshalab, https://kshalab.sogang.ac.kr/kshalab/index.html