ZIF 기반 단원자·클러스터 촉매의 고정화 및 전환 공정 개발

Immobilization and reaction-process development of single-atom and cluster catalysts in ZIF frameworks

연구 내용

Ru 클러스터 또는 Ir 단원자를 ZIF 기공에 고정화하고 열처리된 탄소 지지체에서 CO2 전환과 글리세롤 전환 성능을 제어하는 연구

ZIF(zeolitic imidazolate framework) 구조를 이용해 금속 전구체를 기공 내부로 도입한 뒤 열처리로 탄소 유도 지지체를 형성하며 촉매 활성점의 미세구조를 확보하는 연구를 수행합니다. Ru의 경우 ZIF-11 포어 내 trimeric ruthenium cluster를 in situ로 캡슐화하고 탄화 공정을 통해 Ru 나노입자의 결정성 및 질감을 조절하여 글리세롤-CO2 동시 전환에서 탈수소화-수소화 경로를 유도합니다. Ir의 경우 Ir(bis-carbene) 복합체를 ZIF-7-III 합성 단계에 따라 고정화 효율과 국소 구조를 달리해 single-atom 촉매 거동을 확인합니다. 반응 후 재사용성 및 이종성 평가를 포함해 안정성을 검증합니다.

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연구 흐름

2020년에는 ZIF-11 내부에 Ru 클러스터를 캡슐화한 뒤 열처리로 그래파이트 나노다공성 탄소 지지체를 구성하는 in situ 합성 전략을 확립하고, CO2 공급원과 반응 조건에 따른 생산물 전환 성능을 최적화했습니다. 동시에 Ru 나노입자의 결정성과 텍스처 변화가 반응성과 연결되는 해석 체계를 구축했습니다. 2022년에는 동일한 프레임워크 계열을 기반으로 Ir 복합체를 ZIF 합성 단계별로 도입하는 고정화 방법을 확장하여 single-atom 촉매의 국소 배위 구조를 DFT 및 분광 기반으로 검증했습니다. 그 결과 글리세롤 탈수소화와 CO2 수소화에서 고활성·안정한 촉매 거동을 확인했습니다.

활용 가능성

활용 가능성은 알앤디써클 특화 AI 에이전트가 생성한 내용으로, 실제 연구 가능 여부는 연구실과의 논의가 필요합니다.

CO2 수소화 반응
글리세롤 탈수소화 공정
동시 전환(글리세롤-CO2) 촉매
단원자 촉매 고정화 기술
프레임워크 유도 탄소 지지체
열처리 기반 활성점 미세구조 제어
이종 촉매 재사용 공정
반응 선택성 조절 기반 설계
흡착-반응 결합형 촉매 시스템
반응 조건-구조 상관 최적화