이산화탄소(CO2)는 풍부하고 저렴한 온실가스로, 이를 활용한 카복실산(carboxylic acid) 생산은 환경적으로나 경제적으로 매우 매력적인 화학 공정입니다. 그러나 CO2의 화학적 안정성으로 인해 이를 유용한 화합물로 전환하는 데에는 높은 활성과 선택성을 지닌 촉매가 필요합니다. 본 연구실은 전이금속 기반의 새로운 촉매 시스템을 개발하여 CO2를 효과적으로 활성화하고, 카복실화 반응의 효율을 극대화하는 데 주력하고 있습니다. 특히, 촉매의 활성, 선택성, 안정성 등 여러 도전 과제를 극복하기 위해 다양한 전이금속 리간드 설계와 반응 메커니즘 연구를 병행하고 있습니다. 이를 통해 촉매의 구조와 반응 경로를 정밀하게 조절함으로써, 기존 촉매보다 우수한 성능을 갖는 새로운 촉매를 개발하고 있습니다. 실제로 니켈, 로듐, 이리듐 등 다양한 금속을 활용한 카복실화 및 에스테르화 반응에서 탁월한 결과를 도출하고 있으며, 관련 논문과 특허도 활발히 출원되고 있습니다. 이러한 연구는 CO2의 자원화와 더불어, 친환경 화학공정의 실현에 크게 기여할 수 있습니다. 궁극적으로는 산업적으로 중요한 카복실산 및 그 유도체의 생산 공정에 적용되어, 지속가능한 화학산업 발전과 온실가스 저감에 실질적인 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

올레핀(olefin)은 전통적인 석유화학 산업에서 핵심적인 빌딩 블록으로 사용되어 왔으나, 최근에는 바이오매스 기반 올레핀의 등장으로 지속가능한 화학산업으로의 전환이 가속화되고 있습니다. 본 연구실은 바이오올레핀을 비롯한 다양한 올레핀을 고부가가치 화학물질로 전환하기 위한 혁신적인 촉매 개발에 집중하고 있습니다. 이를 위해 새로운 금속-유기 프레임워크(MOF), 제올라이트, 이종금속 시스템 등 다양한 촉매 구조를 설계하고, 반응의 효율성과 선택성을 극대화하는 방법을 탐구하고 있습니다. 특히, 바이오매스와 CO2를 동시에 활용하는 통합 공정 개발에도 주목하고 있습니다. 예를 들어, 글리세롤과 CO2를 동시에 변환하여 젖산 및 포름산 등 유용한 화합물을 생산하는 새로운 반응 경로를 제시하고, 촉매의 재사용성 및 공정의 경제성, 환경영향 평가까지 포괄적으로 연구하고 있습니다. 이러한 접근은 기존 화학공정의 한계를 극복하고, 친환경적이고 경제적인 대안 기술을 제시하는 데 중요한 역할을 합니다. 이와 더불어, 올레핀의 선택적 전환, 에스테르화, 카보닐화 등 다양한 반응에서 촉매의 구조-활성 상관관계를 규명하고, 실제 산업 공정에 적용 가능한 촉매 시스템을 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 미래의 지속가능한 화학산업을 선도할 핵심 기술로 평가받고 있습니다.

바이메탈릭(이종금속) 시스템은 두 개의 금속 중심이 상호작용함으로써 단일 금속 촉매에서는 구현하기 어려운 새로운 반응성과 선택성을 발현할 수 있습니다. 본 연구실은 바이메탈릭 시스템의 협동 효과, 독특한 산화환원 특성, 그리고 구조적 조정 가능성에 주목하여, 소분자(예: CO2, CO, H2 등)의 활성화 및 전환 반응에서 혁신적인 촉매를 개발하고 있습니다. 특히, 니켈-철, 팔라듐-코발트 등 다양한 금속 조합을 이용한 바이메탈릭 제올라이트 프레임워크 및 금속-유기 프레임워크(MOF) 기반 촉매를 합성하고, 이들의 구조적 특성과 반응 메커니즘을 심층적으로 분석합니다. 이를 통해 기존 단일 금속 촉매의 한계를 극복하고, 고효율·고선택성 촉매 반응을 구현하는 데 성공하고 있습니다. 실제로, CO2의 선택적 전환, 에폭사이드의 고효율 변환 등 다양한 화학 반응에서 우수한 촉매 성능을 입증하였습니다. 이러한 연구는 촉매 과학의 새로운 패러다임을 제시할 뿐만 아니라, 친환경 화학공정, 에너지 전환, 자원화 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 앞으로도 바이메탈릭 시스템의 설계 원리와 응용 가능성을 지속적으로 확장해 나갈 계획입니다.