분산도 100%의 앙상블 촉매로 단일원자, 나노입자 촉매의 단점 보완해
앙상블 촉매를 이용한 자동차 배기가스 정화 반응 개념도
[대전=일요신문] 육군영 기자 = KAIST 생명화학공학과 이현주 교수가 포항공대 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 자동차 배기가스 정화에 사용할 수 있는 로듐 앙상블 촉매를 개발했다.
이번에 개발한 촉매는 자동차 배기가스 정화 반응에서 시중의 디젤 산화 촉매에 비해 50도 낮은 온도에서 100%의 전환율을 달성하는 성능을 보였다.
이번 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매나 나노입자 촉매와는 개념이 다르다.
대표적인 자동차 배기가스 오염물질인 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 등의 탄화수소는 보행자의 건강과 환경오염을 막기 위해 반드시 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 전환한 뒤 배출돼야 한다.
기존에 사용되는 단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있기 때문에 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못하기에 희소가치가 높은 귀금속 촉매로서는 아쉬운 점이 많았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재 갖는 로듐 앙상블 촉매를 개발해 자동차 배기가스 정화반응에 적용했다.
그 결과 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 프로필렌, 프로판 산화 반응에서 모두 우수한 저온 촉매 성능을 보였다.
이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없는 단일원자 촉매와 낮은 금속 분산도로 인해 저온 촉매 성능이 떨어지는 나노입자 촉매의 단점을 모두 보완한 것이다.
특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매는 상용화된 디젤 산화 촉매(DOC, diesel oxidation catalysts)보다 높은 활성과 내구성을 가져 실제 자동차 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존의 단일원자, 나노입자 촉매와는 다른 새로운 금속 촉매 개념으로 학술적으로 기여하는 바가 크다”며 “자동차 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 가치가 큰 연구이다”고 말했다.
정호진 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국 화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’ 7월 5일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Fully Dispersed Rh Ensemble Catalyst to Enhance Low-Temperature Activity, 저온 활성 향상을 위한 완전히 분산된 로듐 앙상블 촉매)
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