배기가스 유해물질 인체 무해 물질로 바꾸는 촉매 소재 고가 백금 대신 저가 산화철 이용 개발 성공 자동차 연료의 불완전 연소에 의해 자동차 배기가스에는 다량의 일산화탄소가 함유돼 있다, 일산화탄소가 대기 중으로 배출돼 인체에 유입될 경우에는 인체에 치명적인 영향을 미칠 수가 있다. 이에 자동차의 배기가스는 촉매를 이용한 처리를 거친 후에 대기에 배출되도록 돼 있다. 현재 상용화돼 있는 자동차 배기가스 처리 촉매로 주로 사용되는 백금 등의 금속은 매장량이 제한돼 있고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 촉매들은 배기가스 처리부의 온도가 150도 이상이 돼야 충분한 촉매활성을 일으키게 된다는 단점도 있다. 자동차가 시동을 건 직후에는 배기가스 처리부의 온도가 상온에 가까우며 자동차가 구동되면서 온도가 상승해 700도 이상에 이르게 된다. 상온 근처의 낮은 온도에서부터 높은 촉매활성을 보이며 고온에서도 촉매구조 및 활성의 안정성을 보이는 저비용 고효율 촉매를 찾으려는 노력이 이 같은 성과로 이어졌다.미래창조과학부는 ‘배기가스의 유해물질을 인체에 무해한 물질로 바꾸는 촉매 소재로 고가의 백금 대신 저가의 산화철’을 이용한 기술이 개발됐다고 8일 밝혔다.자동차, 공장의 배기가스는 유해물질을 인체에 무해한 물질로 전환시키는 촉매 소재로 백금 등 귀금속을 사용한다. 하지만 저가의 산화철을 이용한 배기가스 처리용 촉매에서 인체에 유독한 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는데 높은 효율이 나타나는 것을 확인했다.산화철 나노입자를 1 나노미터 부근의 입자 크기로 다공성 알루미나 담체 구조 안에 균일하게 분포시키는 방법을 개발한 것이다. 기존의 촉매 합성에 많이 사용되는 용액 공정을 이용하지 않고 페로센이라는 전구체를 기화시키는 방법을 기반으로 하는 기상 공정을 이용해 용매를 사용하지 않고, 산화철 나노입자를 다공성 알루미나의 기공 내부에까지 균일하게 분포시키는 방법이다. 이 방법으로 제조해 낸 다공성 알루미나에 담지된 산화철 나노입자의 촉매 활성을 연구한 결과, 상온에서부터 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 반응에 높은 촉매활성을 보였다. 섭씨 100도씨 정도의 온도에서는 긴 촉매 구동시간동안 다른 촉매들에서 전형적으로 보여지는 시간이 지남에 따른 촉매활성의 저하가 보여지지 않고 안정적으로 촉매활성이 나타났다.이 온도에서 기존의 백금촉매보다 훨씬 높은 촉매활성을 보였고, 최근 백금의 대체촉매로 제안되고 있는 니켈 산화물에 비해서도 높은 촉매활성을 산화철 나노입자가 보임을 확인했다. 이 구조를 대기 중에서 900도에서 열처리 한 후 촉매활성을 다시 연구한 결과 900도의 열처리이후에도 열처리 전에 나타난 높은 촉매활성이 그대로 유지가 된다는 것을 알아냈다.궁극적으로 이 연구는 상온부근의 낮은 온도에서부터 일산화탄소 산화반응의 촉매활성을 보이고, 100도 부근에서 백금보다 뛰어난 촉매활성을 보이며 열적 안정성 또한 기존의 상용화되고 있는 촉매들과 비교할만한 신규 촉매 구조를 개발했다.김영독 교수 연구팀(성균관대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 1월 16일자에 게재됐다. 김 교수는 “이 연구는 새로운 나노 촉매 합성법인 온도조절 화학기상증착법을 개발한 것이다. 합성 방법이 간단해 대량생산이 가능하다. 기존 촉매보다 값이 싼 물질을 이용해 실용화 가능성도 높다. 자동차 배기가스에 존재하는 일산화탄소의 처리뿐만 아니라 실내 대기에 존재하는 벤젠과 같은 새집증후군 유발물질을 이산화탄소로 전환시켜주는 촉매로도 응용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.한편 반도체 공정에서 배출되는 휘발성 유기물, 건물의 새집증후군의 주범으로 알려져 있는 아세트알데히드 등의 산화반응에 이 연구에서 개발된 촉매를 활용함으로써 공기청정기 개발 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

배기가스 유해물질 인체 무해 물질로 바꾸는 촉매 소재

고가 백금 대신 저가 산화철 이용 개발 성공

기사입력 2017-02-08 08:01:10

[산업일보]

자동차 연료의 불완전 연소에 의해 자동차 배기가스에는 다량의 일산화탄소가 함유돼 있다, 일산화탄소가 대기 중으로 배출돼 인체에 유입될 경우에는 인체에 치명적인 영향을 미칠 수가 있다. 이에 자동차의 배기가스는 촉매를 이용한 처리를 거친 후에 대기에 배출되도록 돼 있다. 현재 상용화돼 있는 자동차 배기가스 처리 촉매로 주로 사용되는 백금 등의 금속은 매장량이 제한돼 있고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 촉매들은 배기가스 처리부의 온도가 150도 이상이 돼야 충분한 촉매활성을 일으키게 된다는 단점도 있다. 자동차가 시동을 건 직후에는 배기가스 처리부의 온도가 상온에 가까우며 자동차가 구동되면서 온도가 상승해 700도 이상에 이르게 된다. 상온 근처의 낮은 온도에서부터 높은 촉매활성을 보이며 고온에서도 촉매구조 및 활성의 안정성을 보이는 저비용 고효율 촉매를 찾으려는 노력이 이 같은 성과로 이어졌다.

온도조절 화학기상 증착법을 이용해 제조한 시료의 분석 결과 및 촉매 합성 과정의 모식도와 김영독 교수

미래창조과학부는 ‘배기가스의 유해물질을 인체에 무해한 물질로 바꾸는 촉매 소재로 고가의 백금 대신 저가의 산화철’을 이용한 기술이 개발됐다고 8일 밝혔다.

자동차, 공장의 배기가스는 유해물질을 인체에 무해한 물질로 전환시키는 촉매 소재로 백금 등 귀금속을 사용한다. 하지만 저가의 산화철을 이용한 배기가스 처리용 촉매에서 인체에 유독한 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는데 높은 효율이 나타나는 것을 확인했다.

산화철 나노입자를 1 나노미터 부근의 입자 크기로 다공성 알루미나 담체 구조 안에 균일하게 분포시키는 방법을 개발한 것이다. 기존의 촉매 합성에 많이 사용되는 용액 공정을 이용하지 않고 페로센이라는 전구체를 기화시키는 방법을 기반으로 하는 기상 공정을 이용해 용매를 사용하지 않고, 산화철 나노입자를 다공성 알루미나의 기공 내부에까지 균일하게 분포시키는 방법이다.

이 방법으로 제조해 낸 다공성 알루미나에 담지된 산화철 나노입자의 촉매 활성을 연구한 결과, 상온에서부터 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 반응에 높은 촉매활성을 보였다. 섭씨 100도씨 정도의 온도에서는 긴 촉매 구동시간동안 다른 촉매들에서 전형적으로 보여지는 시간이 지남에 따른 촉매활성의 저하가 보여지지 않고 안정적으로 촉매활성이 나타났다.

이 온도에서 기존의 백금촉매보다 훨씬 높은 촉매활성을 보였고, 최근 백금의 대체촉매로 제안되고 있는 니켈 산화물에 비해서도 높은 촉매활성을 산화철 나노입자가 보임을 확인했다. 이 구조를 대기 중에서 900도에서 열처리 한 후 촉매활성을 다시 연구한 결과 900도의 열처리이후에도 열처리 전에 나타난 높은 촉매활성이 그대로 유지가 된다는 것을 알아냈다.

궁극적으로 이 연구는 상온부근의 낮은 온도에서부터 일산화탄소 산화반응의 촉매활성을 보이고, 100도 부근에서 백금보다 뛰어난 촉매활성을 보이며 열적 안정성 또한 기존의 상용화되고 있는 촉매들과 비교할만한 신규 촉매 구조를 개발했다.

김영독 교수 연구팀(성균관대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 1월 16일자에 게재됐다.

김 교수는 “이 연구는 새로운 나노 촉매 합성법인 온도조절 화학기상증착법을 개발한 것이다. 합성 방법이 간단해 대량생산이 가능하다. 기존 촉매보다 값이 싼 물질을 이용해 실용화 가능성도 높다. 자동차 배기가스에 존재하는 일산화탄소의 처리뿐만 아니라 실내 대기에 존재하는 벤젠과 같은 새집증후군 유발물질을 이산화탄소로 전환시켜주는 촉매로도 응용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편 반도체 공정에서 배출되는 휘발성 유기물, 건물의 새집증후군의 주범으로 알려져 있는 아세트알데히드 등의 산화반응에 이 연구에서 개발된 촉매를 활용함으로써 공기청정기 개발 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

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김인환 기자 kih2711@kidd.co.kr

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