본 연구센터의 목표를 달성하기 위해 3개의 전문연구 그룹으로 센터를 구성함. 1그룹은 계산화학 연구팀과 실험연구팀 간의 상호보완적인 연구를 통해 150°C 내외의 저온에서도 높은 활성을 보이는 귀금속 산화촉매 및 금속산화물 환원촉매를 개발함. 이를 통해 최적의 촉매 구조와 반응 메커니즘을 도출하고 나노 단위에서 제어된 최적 촉매를 합성함. 2그룹은 1그룹 계산화학 연구팀과의 협력연구를 통해 입자상물질 (PM) 저온연소 촉매와 NOx 및 탄화수소 흡착제를 개발함. 전산유체해석을 이용해 PM 분리필터 (DPF) 내 유체 거동을 해석하고 슬러리코팅 기법을 개발하여 촉매와 흡착제를 일체화한 필터를 개발함. 3그룹은 열화 및 피독으로 인한 촉매 비활성화 메커니즘을 해석하고 반응속도식을 도출함. 이를 통해 비활성화 억제 방안을 도출하여 촉매의 내구성을 향상시키고 상용 자동차 정화시스템에서의 성능 및 수명을 확인함. 또한 개별 장치 및 전체 정화시스템을 제어할 수 있는 자가 학습 기반의 제어 알고리즘과 문제 발생 시 이를 정확하게 진단할 수 있는 이상 진단 알고리즘을 구축하여 에너지 소모와 배출량을 최소화할 수 있는 통합 제어시스템을 개발함. 그룹 간 유기적 협력연구를 통해 초저에너지-초저배출을 동시에 달성하는 미래형 자동차 기술을 개발함. 원천기술 개발 후 중소기업 컨소시엄, 참여대기업과의 연계를 통해 실제 완성차에서의 성능을 확인하고 이를 토대로 최적화 및 상용화를 추구함. 사업 종료 후 사업단 자체 창업을 최종목표로 하며, 파생기술은 컨소시엄 참여 중소기업으로 기술이전을 통해 양도하여 국내 자동차 부품 산업의 경쟁력을 향상시킴.

본 연구과제에서는 메탄 기반 가스로부터 직접 탈수소방향족화 반응을 통해 BTX를 효율적으로 얻는 촉매 시스템을 개발하고자 하며, 상세하게는 ① 경질 탄화수소 (프로판, 에탄 및 올레핀)가 도입된 메탄의 직접 방향족화 반응 시스템 구축, ② 공정변수 최적화를 통한 BTX 수율 향상, ③ 이원기능 촉매의 물리화학적 특성 최적화를 통한 BTX 수율 극대화, ④ 조촉매의 도입을 통한 촉매의 반응성 증진, ⑤ 촉매 입자의 나노화 및 고정화법을 통한 고분산화, ⑥ 촉매의 산 특성 및 기공특성 조절을 통한 반응 안정성 개선, ⑦ 대용량 반응 시스템 상에서의 촉매 성능 평가, ⑧ 촉매의 탄소침적 저항성 증진을 통한 장기 활성 개선, ⑨ 촉매의 재생조건 최적화를 통한 장기 활성 개선, ⑩ 촉매의 물리화학적 특성 분석을 통한 반응활성과의 관계 규명 등의 연구내용을 포함한다. 1차 년도에는 반응장치 및 분석시스템을 구축하고, 활성 상으로 전이금속이 담지된 이원기능 촉매 제조 및 고분산화를 통해 촉매의 활성을 증진하고자 한다. 2차 년도에는 이원기능 촉매의 물리화학적 특성 최적화 및 공정변수 최적화를 통해 촉매의 활성 및 반응 안정성을 개선하고자 한다.

본 연구에서는 헤테로폴리산의 촉매적 특성이 구조 및 구성 원소에 따라 조절될 수 있다는 점에 착안하여 다양한 나노구조 헤테로폴리산 촉매의 제조하고 특성 분석을 통해 촉매의 산화환원 능력을 정량화함으로써 부분산화 반응에 적용 가능한 헤테로폴리산 촉매를 설계할 수 있는 원천 기술을 확보하고자 한다. 또한 제조된 헤테로폴리산 촉매를 주형기법에 의해 제조된 정렬된 중형기공성 담체에 화학적으로 고정화함으로써 촉매적 특성을 향상시키고자 한다. 구체적으로는 다음의 연구내용을 포함한다. ①다양한 구조 및 구성원소를 지니는 나노구조 헤테로폴리산 촉매의 설계 및 제조 ②주사투과현미경(STM)을 이용한 헤테로폴리산 촉매의 Molecular shape, Orientation, Packing array 분석 ③Tunneling spectroscopy 기법을 이용한 헤테로폴리산 촉매의 산화환원능력 측정 ④다양한 정렬된 중형기공성 담체의 제조 및 기능기 도입 ⑤기능기가 도입된 정렬된 중형기공성 담체를 이용한 헤테로폴리산 촉매의 화학적 고정화 ⑥나노구조 헤테로폴리산 촉매의 산화환원능력 지도(Map) 완성(Database 구축) ⑦특정 산화반응에 요구되는 산화환원능력을 지닌 나노구조 헤테로폴리산 담지촉매의 설계 ⑧나노구조 헤테로폴리산 담지촉매의 선택적 산화반응 적용

본 과제는 다양한 구조를 가진 헤테로폴리산 촉매를 나노 수준에서 설계하고, 이를 담체에 안정적으로 고정하여 성능을 높이는 화학 촉매 기술을 개발하는 연구임. 연구 목표는 Keggin 및 Wells-Dawson형 헤테로폴리산 촉매의 구조와 조성을 변화시키며 산화환원 특성을 정량화하는 기반 기술 확보에 있음. 핵심 연구 내용은 나노구조 헤테로폴리산 촉매의 설계·제조, 주사투과현미경을 활용한 분자 수준 구조 분석, 중형기공성 담체에의 화학적 고정화를 통한 촉매 성능 향상임. 기대 효과는 선택적 산화반응에 적합한 헤테로폴리산 담지촉매 설계 기반 확보 및 안정적 고성능 촉매 제조 기술 확립임