CO₂에서 합성가스로
역수성가스전환 반응(RWGS)과 메탄 건식 개질(DRM)을 이용하여 CO₂를 일산화탄소로 전환합니다. 수소와 일산화탄소로 구성된 합성가스에 대해 반응 조건과 촉매의 조합이 조성과 생성량에 미치는 영향을 연구합니다.
WATANABE LABORATORY / RESEARCH
연구
살펴보세요.
재료, 구조, 반응기, 에너지 공급을 아우르는 네 가지 연구 주제. 촉매화학과 반응공학을 연결하여 분자 전환을 공정으로 발전시킵니다.
01 / CARBON CIRCULATION
CO₂를 자원으로 전환합니다.
CO₂ 전환, 합성가스 생산과 고체 탄소 고정을 결합하여 탄소 순환 반응 시스템을 연구합니다.
- KEYWORDS
- CO₂ conversion / syngas / RWGS / DRM / solid carbon / carbon circulation
- FOCUS
- 합성가스 생산 · 고체 탄소 회수 · 다단 반응 · 현장 자원화
연구 목표
CO₂와 메탄을 탄소원으로 사용하여 연료·화학제품의 원료인 합성가스나 회수·이용 가능한 고체 탄소로 전환하는 반응 공정을 연구합니다. 촉매에 의한 분자 전환과 함께 반응기 조합, 생성물 분리·회수를 검토하여 탄소의 행선지를 제어합니다.
산업 배기가스를 현장에서 자원으로 바꾸기 위해 가스 조성, 반응 온도, 유량, 반응 평형의 관계를 연구합니다. 촉매 재료의 성능과 공정 전체의 탄소 수지를 연결하여 연속적인 전환과 회수를 목표로 합니다.
주요 연구 항목
고체 탄소로의 전환과 회수
RWGS와 일산화탄소에서 고체 탄소를 생성하는 반응, 메탄화와 개질·분해 등을 조합합니다. 탄소가 생성되는 위치와 형태, 촉매 위 축적, 회수 방법을 검토하여 반응을 계속하면서 탄소를 꺼내는 공정으로 발전시킵니다.
다단 반응과 물질 순환
여러 반응 단계를 연결하고 각 단계의 온도, 가스 조성, 수분 제거 등을 조절합니다. 각 반응의 역할과 단계 간 물질 이동을 파악하여 CO₂ 전환, 생성물 회수, 탄소 이용의 관계를 반응기 전체에서 평가합니다.
관련 논문
- Performance of integrated multi-stage catalytic conversion of CO2 to solid carbon via RWGS–Boudouard coupling ↗Reaction Chemistry & Engineering, 2025
- Enhancing CO2-to-solid-carbon conversion via flow optimization and water removal in a coupled methanation–reforming reactor ↗New Journal of Chemistry, 2025
02 / STRUCTURED CATALYSTS
촉매의 형태를 기능으로 연결합니다.
나선 구조, 다공성 금속과 워시코트를 활용하여 열·물질 전달을 고려한 촉매 반응기를 구축합니다.
- KEYWORDS
- structured catalyst / spiral / porous metal / washcoat / CFD / heat & mass transfer
- FOCUS
- 촉매 담지 · 유동 촉진 · 열전달 · 물질전달 · 고유량 적용
연구 목표
촉매 반응기의 성능은 촉매 재료의 활성뿐 아니라 반응 가스의 흐름, 열전달, 촉매 표면까지의 물질전달에 좌우됩니다. 우리 연구실은 나선과 다공성 금속을 기재로 하는 구조체 촉매를 사용하여 재료와 형상 양쪽에서 반응 환경을 만듭니다.
워시코팅과 도금으로 기재에 촉매 성분을 부여하고 담지 상태와 유로 형상을 조절합니다. 반응 실험을 유동·전열 해석과 연결하여 가스가 촉매에 도달하는 과정부터 반응열 이동까지 검토합니다.
주요 연구 항목
나선·다공성 금속의 형상
나선의 비틀림과 다공성 금속 유로가 가스 혼합, 체류, 촉매와의 접촉에 미치는 영향을 연구합니다. 유량 증가에 따른 반응 성능과 압력 손실의 관계를 검토하여 처리량에 맞는 반응기 형상을 탐색합니다.
촉매층 형성과 담지 방법
워시코팅과 무전해 도금 등을 이용하여 금속 기재 위에 촉매층을 형성합니다. 촉매 담지량, 분포, 밀착성과 반응 성능의 관계를 연구하여 기재의 열전도성과 촉매 재료의 기능을 활용합니다.
열·물질전달과 반응 성능
실험과 전산유체역학(CFD)으로 반응기 내 유동과 온도 분포를 검토합니다. CO₂ 메탄화 등의 반응을 통해 구조체 형상이 발열 분산과 반응 가스 공급에 어떻게 기여하는지 평가합니다.
관련 논문
- High-throughput CO2 methanation in a two-stage reactor system with spiral-structured catalysts ↗Reaction Chemistry & Engineering, 2026
- Enhanced thermal management in CO2 methanation using spiral-structured catalysts: a comparative study with honeycomb, monolith, and packed-bed systems ↗Sustainable Energy & Fuels, 2025
03 / e-REACTION PROCESS
열 공급 방식에서 화학 공정을 바꿉니다.
반응기와 촉매에 전기에너지를 직접 공급하여 빠른 응답, 국소 가열과 소형화를 활용하는 반응 조작을 개발합니다.
- KEYWORDS
- e-Reaction / Joule heating / electrified catalysis / e-Methanation / e-DRM
- FOCUS
- 직접 가열 · 온도 분포 · 에너지 이용 · 응답성 · 다단 반응
연구 목표
금속 촉매 구조체에 직접 전류를 흘리고 전기저항으로 발생하는 줄열을 반응에 이용합니다. 촉매가 담지된 구조체에서 열을 발생시켜 에너지를 공급하는 위치와 반응이 진행되는 위치의 관계를 제어하고, 가열 방법을 통해 화학 공정을 검토합니다.
전기 구동 촉매의 재료·발열 특성을 반응기의 온도 분포·열 이동과 연결하여 연구합니다. 투입 전력, 가스 유량, 반응 조성 변화에 대한 응답을 조사하고 CO₂ 메탄화와 개질을 포함하는 전기 구동 반응 공정으로 발전시킵니다.
주요 연구 항목
직접 통전과 촉매 온도 상태
전류 경로, 구조체의 전기저항, 촉매층 배치와 발열의 관계를 검토합니다. 투입 전력과 반응 온도를 측정하고 외부 가열과 비교하여 열 공급 방법이 촉매 반응에 미치는 영향을 평가합니다.
e-Methanation · e-DRM
전기 구동 CO₂ 메탄화(e-Methanation)와 메탄 건식 개질(e-DRM)을 대상으로 전환율, 생성물 조성, 촉매 상태를 연구합니다. 발열 반응과 흡열 반응 각각에 대해 직접 가열과 반응열의 관계를 검토합니다.
여러 전기 구동 반응 연결
메탄화와 개질 등을 단계적으로 조합하고 각 반응 단계의 전력 공급과 운전 조건을 조절합니다. 기동과 조건 변경에 대한 응답, 합성가스 조성 제어, 장치 소형화를 검토하여 현장에서 이용할 수 있는 반응 시스템을 목표로 합니다.
04 / LATTICE SULFUR CATALYSIS
격자 황을 반응종으로 이용합니다.
황화물의 격자 황 방출과 H₂S를 통한 재삽입을 이용하여 황 공공을 거쳐 격자 황을 반복 사용하는 산화환원 촉매 공정을 연구합니다.
- KEYWORDS
- lattice sulfur / sulfur vacancy / H₂S / redox cycle / dehydrogenation
- FOCUS
- 격자 황 반응성 · 황 공공 · 재삽입 · 탈수소 · 황 함유 화합물
연구 목표
황화물을 구성하는 격자 황(격자 S)을 반응에 참여하는 화학종으로 이용합니다. 격자 황이 탄화수소에서 수소를 떼어 내고 H₂S로 이탈하는 과정과, 황 공공에 황이 재삽입되는 과정에 주목합니다.
격자 황의 소비와 재생을 반복하는 산화·환원 순환을 통해 알케인 탈수소와 황 함유 화합물 전환을 연구합니다. 반응 중 재료 상태와 생성물의 관계를 조사하여 황 화학종을 활용하는 촉매 공정을 검토합니다.
주요 연구 항목
격자 황과 탄화수소의 반응
황화물의 격자 황이 탄화수소 전환에 참여하는 과정을 연구합니다. 알케인에서 올레핀으로의 탈수소 등을 대상으로 촉매 조성, 반응 온도, 가스 조성과 생성물 선택성의 관계를 검토합니다.
황 공공 형성과 재생
격자 황이 이탈한 뒤의 황 공공과 H₂S에 의한 황 재삽입에 주목합니다. 반응·재생 조건, 황 이동, 반복 운전 시 촉매 성능을 평가하여 격자 황을 반복 이용하기 위한 반응 조건을 탐색합니다.
황 함유 화합물과 전기 구동 반응으로의 확장
황 화학종을 매개로 하는 탄화수소 전환과 황 함유 화합물의 반응을 검토합니다. 촉매 표면 상태와 가열 방법을 연관 지어 직접 가열 등을 이용한 반응 운전이 반응성과 생성물에 미치는 영향을 연구합니다.
관련 논문
FROM CATALYST TO PROCESS
Materials. Structures.
Reactions. Processes.
재료화학을 반응공학, 구조체와 에너지 공급까지 연결하는 것이 와타나베 연구실의 연구 방식입니다.
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