미세먼지 물질 친환경 처리 효율 높인 촉매 개발

상대적 저온 환경에서도 효율 최대 15% 향상

미세먼지 생성 주요 원인 물질인 질소산화물(NOX)을 환경친화적으로 처리할 수 있는 촉매가 개발됐다.

한국과학기술연구원은 하헌필, 김종식 물질구조제어연구센터 박사팀이 기존 상용촉매의 단점을 극복한 촉매를 개발했다고 5일 밝혔다.

개발된 탈질촉매는 대기 중에 독성 방출을 억제하고, 300°C 이하의 상대적 저온 영역에서도 높은 효율을 유지한다. 이 촉매는 높은 안정성을 보이며, 저가로 제조 가능해 대량 생산이 가능하다.

일반적으로 디젤 발전소, 자동차 등에 적용되는 상용 촉매의 경우, 질소산화물을 물로 바꾸는데 아주 높은 전환율을 나타낸다. 하지만 이 경우 사용온도 300°C 이상의 고온 환경을 만들어야 하는 등 막대한 비용이 든다.

또 촉매가 고온에 노출될 때, 독성의 촉매성분이 증발돼 대기 중에 방출되는 문제점이 있다. 이 때문에 일본을 비롯한 여러 국가에서는 고온에서 독성을 지닌 바나듐 등을 포함한 촉매의 사용을 제한하고 있다.

KIST 박사팀이 개발한 촉매는 기존에 보고되지 않은 ‘구리바나듐 복합산화물’(Cu3V2O8)을 주 촉매성분으로 사용한다.

연구팀은 촉매구조 개량을 통해 독성의 촉매성분 증발을 억제했다. 개발된 촉매는 자동차·선박 기준 상대적으로 저온인 230°C 에서도 상용 촉매 대비 10~15% 향상된 질소산화물 전환율을 보였다. 배연가스에 포함되어 있는 이산화황이 존재하는 상황에서 촉매의 내구성이 기존 촉매보다 약 4배 향상됐다.

개발된 촉매 관련 그림 설명. (a) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 화학반응식 도식. (b, c) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 촉매점들 위에서 NOX와 NH3의 변환과정 도식. (d) 주촉매점으로 적용 가능한 구리바나듐산염들 도식 (Cu1: Cu1V2O6; Cu2: Cu2V2O7; Cu3: Cu3V2O8; Cu5: Cu5V2O10). (e) 안티모니게 조촉매점 및 비바람직한 반응부산물 ((NH4)2SO4, (NH4)HSO4, H2SO4)의 형성 관련 화학반응식 도식.

특히 연구진은 활성물질을 안정시키는 재료설계 기법을 사용해 고온에서 대기 중으로 활성물질이 증발될 수 있는 가능성을 획기적으로 줄인 친환경 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연구책임자인 하헌필 박사는 “본 연구에서 개발된 촉매를 발전소·자동차 등에 실제 장착 및 상용화를 위해 노력할 것"이라며 "현재 촉매 성능의 향상을 위한 촉매성분 최적화 연구를 진행 중”이라고 밝혔다.

연구결과는 촉매 분야 과학전문지 '응용촉매 B’ 최신호에 온라인 게재됐다.