촉매란 반응에 참여하지 않고 반응 속도에 관여하는 물질입니다. 화학을 전공하신 분들은 잘 알고 계실거라고 생각합니다. (촉매에 대한 디테일한 내용은 추후에 포스팅 하도록 하겠습니다.)
제 연구 분야는 Carbon Nanotube(CNT)입니다. CNT에 대한 세부적인 내용 또한 추후에 포스팅하겠습니다. 이 글에서 제가 쓰려는 내용은 촉매를 어떻게 설계해야 CNT 생산에 좋을까? 고민하는 내용입니다.
CNT가 자라는 mechanism은 명확히 알려지진 않았고, 여러가지 방법이 존재합니다. 제가 연구하는 방법은 현재 가장 많이 사용되는 방법인 Catalytic Chemical Vapor Deposition(CCVD)라는 방법입니다. 이 방법은 간단히 설명하자면 촉매를 사용하여 기상의 형태로 화학적 증착을 하는 방법입니다. CNT는 탄소로만 이루어진 튜브 모양의 물질입니다. 즉 탄소가 필수 재료입니다. 탄소를 공급하기 위해 메테인이나 에틸렌 같은 탄화수소 기체가 필요합니다. 반응기 속에서 전이금속으로 이루어진 촉매입자와 탄소가 만나면 탄소는 금속에 녹았다가 다시 나오면서 CNT가 자라나게 됩니다. Fig. 2
서론이 너무 길어 죄송합니다. 아무튼 CNT는 촉매입자 위에서 자라나기 때문에 촉매를 어떤 금속을 사용하고, 어떻게 만드는지가 매우 중요합니다. 그 다음은 반응기에 넣고 반응 환경만 만들어주면 되기 때문이죠. 그래서 CNT 합성에 대해 연구하는 논문 중에 촉매를 다룬 논문은 매우 많습니다. 촉매를 통하면 마법과도 같이 반응 속도를 빠르게 할 수 있기도 하고, CNT의 경우 CNT의 종류도 원하는 대로 만들어낼 수 있습니다.
제가 원하는 연구 방향은 어떻게 하면 양질의 CNT를 대량생산할 수 있을까 하는 고민입니다. CNT 생산 업계에서도 이 문제가 화두입니다. 만약 Single Walled CNT를 대량생산 한다면 정말 대박이겠죠. 대량생산을 하기 위해서 필요한 조건이 무엇일까요? 짧은 시간 동안 많은 양의 CNT를 합성해내야 합니다. 따라서 Support라는 것이 필요합니다. 이것은 금속촉매입자를 올려둘 지지체입니다. 이 지지체는 다공성 구조여야 합니다. 다공성 구조의 장점은 질량 대비 매우 많은 표면적을 지닌다는 것입니다. 때문에 조그만 양의 support에도 많은 금속 촉매 입자를 올려둘 수 있습니다. 대량생산을 위해서라면 필수인 물질이죠.
그렇다면 금속 촉매 입자를 어떻게 support 위에 증착시킬까요? 이 방법에도 여러가지가 존재합니다. 다양한 변수 또한 존재하죠. 이것에 대해서는 다음 포스팅에 쓰도록 하겠습니다.
촉매라는 것을 공부하며 느낀 것은 정말 다양한 내용들이 포함되어 있다는 것입니다. 유체역학, 물리화학, 열역학 등등... 촉매를 잘 이해하기 위해서는 갈 길이 멀지만 한발한발 나아갈 수 밖에 없겠죠?