화학생물공학부: 화학공학의 꽃, 촉매

안녕하세요! 공우 9기 화학생물공학부 임휘광입니다.

“촉매”라는 용어를 들어본 적이 있나요? 촉매는 그 자신은 (거의) 소모되지 않으면서 화학반응의 속도를 높여주는 물질을 뜻합니다. 고등학교에서 화학2를 배우지 않는다면 교과서에서는 보기 힘든 단어인데요, 하지만 우리가 접하는 거의 모든 화학 제품에 촉매가 쓰인다고 해도 과언이 아닐 정도로 촉매는 화학 산업에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 이번 글에서는 이런 촉매에 대해서 배우는 수업인 <촉매개론>을 소개하고자 합니다.

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어떤 것들을 배우나요?

촉매는 크게 균일촉매(homogeneous catalyst)와 불균일촉매(heterogeneous catalyst)로 나눌 수 있습니다. 균일촉매는 화학반응의 반응물, 생성물과 촉매의 상(phase)이 같은 촉매이고, 불균일촉매는 다른 촉매죠. 예를 들어 반응물, 생성물, 촉매가 모두 하나의 용액에 섞인 채로 반응이 일어난다면 균일 촉매이고, 기체 상태의 반응물에 작은 고체 입자로 된 촉매를 넣으면 불균일 촉매입니다. 촉매를 재사용하려고 분리할 때, 액체 상태로 섞여 있는 용액에서 분리하는 것보다는 기체에 떠 있는 고체 상태의 촉매를 분리하는 게 더 쉽겠죠? 그래서 화학 공정에서 불균일 촉매가 더 많이 쓰이고, 수업에서도 불균일 촉매에 대해 다루게 됩니다. (균일 촉매를 배우고 싶다면 다른 수업을 들어야 합니다!)

수업의 전반부에서는 (불균일) 촉매에 대한 전반적인 이론에 대해 배우게 됩니다.

• 촉매의 정의 및 분류
• 촉매 반응이 일어나는 과정
• 촉매 제조법
• 성능 검증법: 촉매가 제대로 작용하는지 검증하는 법
• 특성 평가법: 촉매의 표면적, 기공의 크기, 화학적 특성 등 촉매의 성질을 알아내는 법
• 촉매의 비활성화 등 

그리고 수업의 후반부에서는 촉매를 사용되는 성분의 종류로, 또 용도로 분류해서 상세한 예시들과 함께 촉매가 실제로 어떻게 쓰이는지 알게 됩니다.

• 활성 성분의 종류에 따라: 산촉매, 금속 촉매, 금속 산화물 촉매
• 용도에 따라: 정유 및 석유화학, 에너지 및 수소, 환경촉매

수업은 강의식으로 진행됩니다. 중간고사, 기말고사, 두 번 정도의 문제풀이 과제, 학기말 논문요약 과제가 있습니다.

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수업을 듣고, 어땠나요?

<촉매개론>이라는 수업의 이름에 걸맞게 촉매 분야의 전반적인 내용에 대해 파악할 수 있었습니다. 게다가 학기 막바지에 에너지 및 수소 관련 촉매와 환경촉매에 대해 배우면서 최근에 주목받고 있는 수소 생산, 환경 오염물 제거 등의 분야에 대한 동향과 앞으로 나아갈 방향에 대해서도 알려 주셔서 더 의미있는 수업이었습니다. 공우 테크스퀘어라는 행사의 조선해양공학과 발표에서 수소 연료전지를 이용한 선박에 대해 들었었는데, 관련 내용이 이 수업에서도 등장해서 신기했던 기억이 있네요. 

그리고 촉매 특성 평가법에서 XPS, EXAFS, XANES, XRD, TEM 등 다양한 분석법들을 배우게 되는데요, 촉매 분야뿐만 아니라 다른 분야의 논문을 읽을 때에도 이런 분석법들이 사용되어서 논문을 읽을 때의 이해도를 높일 수 있었습니다.

특이하게 촉매 분야의 논문을 읽고 요약하는 과제가 있습니다. 기말고사랑 과제 제출 기한이 거의 겹쳐서 부담이 될 수는 있지만, 읽을 논문을 찾는 과정에서 촉매 분야에서 어떤 연구들이 이루어지고 있는지 대강이나마 파악할 수 있는 기회였던 것 같습니다.“새로운 촉매를 어떻게 개발하는지”를 알고자 이 수업을 듣는다면 맞지 않다고 느낄 수도 있지만, 촉매라는 분야에 관심 정도만 있던 저로서는 얻은 것이 많은 수업이었습니다. 꼭 촉매 분야를 연구하겠다는 결심이 없더라도 이 수업을 들으면 화학 산업을 바라보는 시야를 넓힐 수 있지 않을까 합니다!