Sustainable Fuel Synthesis
우리 연구그룹은 청정 수소 생산을 넘어 이산화탄소(CO2)를 탄소 자원으로 활용하여 항공·해운 등에 필요한 지속가능 연료를 생산하는 연구를 수행하고 있으며, 이를 통해 화석자원에 대한 의존도와 탄소 배출을 줄이는 것을 목표로 합니다. 촉매 설계와 온도·압력 등 반응 조건 제어에 더해 추가적인 에너지원을 활용하여 CO2 전환과 연료 합성의 효율을 높이는 소재 및 공정을 개발하고자 합니다.
최근 태양열과 재생전력을 활용해 CO2로부터 등유 등 액체연료를 합성하는 통합 공정이 실증되고 있습니다. 또한 플라즈마와 촉매를 결합하여 CO2와 수소로부터 메탄올을 생산하는 연구도 보고되고 있습니다. 이처럼 CO2를 유용한 연료로 전환하는 연구는 탄소 배출 저감과 연료 수요 충족을 함께 추구하는 방안으로 전 세계적인 주목을 받고 있습니다.
Beyond clean hydrogen production, our research group investigates the use of carbon dioxide (CO2) as a carbon resource to produce sustainable fuels for aviation, shipping, and other applications, with the aim of reducing reliance on fossil resources and lowering carbon emissions. Through catalyst design, control of reaction conditions such as temperature and pressure, and the use of additional energy inputs, we aim to develop materials and processes that improve the efficiency of CO2 conversion and fuel synthesis. Recently, integrated processes have been demonstrated for synthesizing liquid fuels, including kerosene, from CO2 using solar thermal energy or renewable electricity. Studies have also reported methanol production from CO2 and hydrogen by combining plasma with catalysts. These developments reflect growing global interest in converting CO2 into useful fuels as an approach to reducing carbon emissions while meeting fuel demand.
[연구실 논문 실적]
B. Kim, H. Jin, et al., In preparation
[주요 참고 문헌]
Green Hydrogen & Syngas Production
우리 연구그룹은 지구상에 풍부한 열에너지와 유휴 재생 전력을 활용하여 경제적인 탄소중립 연료(<$2/gallon)를 합성하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 이를 달성하기 위한 첫 번째 단계로, 탄소중립 연료의 전구체인 합성가스(H2+CO)를 고효율로 생산할 수 있는 기술 개발을 추진하고 있습니다.
그 중에서도 특히, 대규모 수소 생산에 적합한 체적반응 기반의 열화학적 수소생산 사이클(thermochemical hydrogen production cycle)에 주목하고 있습니다. 열화학적 수소생산 사이클은 일종의 화학적 열기관으로, 고온과 저온에서 연속적으로 이루어지는 두 단계 반응을 통해 이산화탄소 배출 없이 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 생산합니다. 첫 번째 단계에서는 고온 및 낮은 산소 분압 조건에서 금속 산화물이 산소를 방출하며 환원됩니다. 이어지는 두 번째 단계에서는 상대적으로 낮은 온도에서 산소가 결핍된 금속 산화물이 열역학적으로 산소를 흡수하려는 성질을 이용하여 수증기(H2O)나 이산화탄소(CO2)의 화학결합을 끊어, 수소 및 일산화탄소를 생성합니다.
이를 위해 금속 산화물의 열역학적 특성과 반응 속도를 개선하고, 마이크로파·플라즈마 등 다양한 에너지원을 활용한 반응 경로를 연구하고 있습니다.
Our research group aims to economically synthesize carbon-neutral fuels (target cost: below $2/gallon) by utilizing abundant terrestrial thermal energy and surplus renewable electricity. To achieve this vision, our initial goal is to develop technologies capable of efficiently producing synthesis gas (H2+CO), a precursor for carbon-neutral fuels. We focus particularly on thermochemical hydrogen production cycles based on volumetric reactions, suitable for large-scale hydrogen production. Thermochemical hydrogen production cycles act as chemical heat engines, producing hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) without emitting carbon dioxide through a two-step reaction cycle performed consecutively at high and low temperatures. In the first step, metal oxides release oxygen and undergo reduction under high temperatures and low oxygen partial pressures. In the second step, the oxygen-deficient metal oxides thermodynamically seek to reabsorb oxygen, splitting chemical bonds in water vapor (H2O) or carbon dioxide (CO2), thereby generating hydrogen and carbon monoxide. To this end, we are working to improve the thermodynamic properties and reaction kinetics of metal oxides and investigating reaction pathways that utilize various energy sources such as microwaves and plasma.
[세부 연구 주제]
1. Maximize Cycle Efficiency by Materials Innovation
[연구실 논문 실적]
2. Novel Reaction Routes by Energy Diversification (Microwave, Plasma etc.)
[연구실 논문 실적]
[주요 참고 문헌]
Methane-to-Hydrogen and Value-Added Products
현재 전 세계 수소 생산의 90% 이상이 이산화탄소(CO2)를 배출하는 증기 메탄 개질과 가스화 공정을 통해 이루어지고 있습니다. 물을 재생에너지로 분해하여 생산하는 그린 수소는 이상적이지만, 기술적 성숙도와 높은 생산 비용으로 인해 상용화에 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다. 이러한 배경에서 이산화탄소 배출 없이 메탄을 직접 열분해하여 수소를 생산하는 청록 수소는, 그린 수소 기술이 충분히 성숙할 때까지 수소 수요를 충족할 수 있는 유망한 대안으로 주목받고 있습니다.
메탄 열분해 공정에서 사용되는 금속 촉매는 우수한 메탄 전환율을 제공하며, 부산물로 생성되는 고품질의 탄소를 판매하여 수소 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 이 과정에서 촉매 표면에 탄소가 침착되어 촉매 활성이 저하되는 문제가 발생합니다. 우리 연구팀은 촉매 및 공정 개발을 통해 이 문제를 극복하고, 이를 통해 청록 수소의 생산 효율을 높이는 것을 목표로 하고 있습니다.
또한 메탄의 부분산화를 통해 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 선택적으로 생산하는 연구를 진행하고 있습니다. 이를 통해 메탄을 수소와 유용한 화학 원료로 전환하는 기술을 개발하고, 지속 가능한 에너지 활용에 기여하고자 합니다.
Currently, more than 90% of global hydrogen production relies on steam methane reforming and gasification processes, both of which emit carbon dioxide (CO₂). Green hydrogen, produced by splitting water with renewable energy, is the ideal solution, but its commercialization is expected to take time due to limited technological maturity and high production costs. Against this backdrop, turquoise hydrogen, produced by the direct thermal decomposition (pyrolysis) of methane without CO₂ emissions, is gaining attention as a promising alternative that can meet hydrogen demand until green hydrogen technologies reach sufficient maturity. Metal catalysts used in methane pyrolysis offer high methane conversion, and the high-quality carbon generated as a by-product can be sold to lower the cost of hydrogen production. However, carbon deposition on the catalyst surface during the process leads to a loss of catalytic activity. With research support from POSCO, our team aims to overcome this issue through catalyst and process development and to improve the production efficiency of turquoise hydrogen. In addition, we are conducting research on the selective production of hydrogen (H₂) and carbon monoxide (CO) via the partial oxidation of methane. Through this work, we seek to develop technologies that convert methane into hydrogen and valuable chemical feedstocks, contributing to sustainable energy utilization.
[세부 연구 주제 및 주요 참고 문헌]
1. Microwave-Driven Exsolution
2. Methane Pyrolysis
3. Partial Oxidation of Methane