플리즈마 활용해 금속촉매 수명 연장한다

[산업일보]
플라즈마-촉매 융합 반응 연구의 새로운 방법론이 제시돼 화제다. 미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택, 이하 기계연) 플라즈마연구실의 이대훈 박사팀이 플라즈마-촉매 반응 과정에서 금속 촉매의 환원을 효율적으로 진행시킬 수 있는 기술적 방법을 발견한 것. 이를 통해 금속촉매의 구조변화를 막고, 수명을 연장할 수 있을 것으로 보인다.

이대훈 박사팀은 산화된 금속 촉매를 환원할 때 플라즈마를 활용하면 일반적인 열 환원 반응보다 낮은 온도에서 더 빨리 환원되는 현상과 원리를 규명했다. 이 연구 성과는 세계적인 권위를 지닌 학술지 ‘CHAMCATCHEM Vol.8, Issue 4’의 표지논문으로 선정되기도 했다.

대부분의 화학공정은 원하는 물질을 선택적으로 반응 생성물로 만들어 내는 촉매 반응에 기반 한다. 이 때 사용되는 금속 촉매는 반복 사용에 따라 산화되며 촉매로서의 기능을 잃는다. 촉매의 기능을 회복시키기 위해 일반적으로 열 환원 반응을 활용하는데, 이는 고온의 환원기체를 공급해 금속산화물에서 금속상태로 환원을 시키는 방법이다. 이 때 고온이 촉매의 구조변화를 일으키기 때문에 환원된 촉매의 성능은 충전식 배터리와 유사하게 지속적으로 감소하고 결국은 촉매를 교체해야 한다.

이대훈 박사, 조선대학교 공동 연구팀은 이번 연구에서 금속촉매를 환원할 때 플라즈마를 활용하면 열 환원 반응 보다 낮은 온도에서 더욱 빠르게 환원시킬 수 있다는 점을 알아냈다. 일반적으로 사용되는 환원기체인 수소기체에 플라즈마를 가하면 기체가 방전돼 화학적으로 반응하기 쉬운 H 라디칼로 변한다. 기존 열 환원 반응에서는 수소 분자가 금속 촉매에 흡착된 후 이미 흡착돼 있는 산소와 결합하고 탈착되는 과정을 통해 환원되지만 H 라디칼은 금속 촉매에 흡착하지 않고 산소와 직접 결합해 OH 라디칼을 형성한 후 바로 금속 촉매에서 탈착됨으로써 환원 속도가 훨씬 빠르다.

논문 공동 제1저자 겸 책임저자인 이대훈 박사는 “플라즈마-촉매 융합 반응을 통해 산화된 금속촉매를 보다 낮은 온도에서 빠르게 환원시킴으로써 금속 촉매의 구조변화를 막을 수 있고 결과적으로 촉매 교체시기를 지연하는 것이 가능해 질 것”이라며, “이번에 밝혀진 새로운 환원 원리를 적용하여 화학 산업에 기여하고 싶다”고 밝혔다.