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자동차 매연 속 유해물질, 상온에서도 처리 가능한 값싼 촉매 나왔다

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2017년 02월 07일 18:00 프린트하기

GIB 제공
GIB 제공

국내 연구진이 저렴한 소재를 써서 자동차나 공장에서 나오는 매연의 유해 물질을 인체에 무해하게 바꿔주는 촉매를 개발했다. 
 
김영독 성균관대 화학과 교수팀은 백금 같은 값비싼 소재 대신 저가의 산화철을 사용해 일산화탄소(CO)를 인체에 무해한 이산화탄소(CO2)로 바꿔 주는 고효율 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다. 산화철의 가격은 100g당 약 170원 수준으로 100g당 약 370만 원에 달하는 백금 가격의 2만 분의 1에도 못 미친다.
 

● 상온에서도 일산화탄소 처리 가능…100도선 100% 고효율 달성
 

일산화탄소는 화석 연료를 태울 때 그을음을 일으키며 불완전 연소가 일어날 경우 발생한다. 폐에 들어가면 산소를 운반하는 혈액 성분인 헤모글로빈과 결합해 산소 공급을 막고, 심하면 사망에 이르게 하는 유해 물질이다. 때문에 촉매 공정을 거쳐 이산화탄소로 전환해 배출해야 한다.
 
산화철 촉매는 최소 150도 이상의 고온에서 활성을 보이는 백금 촉매와 달리, 상온에서부터 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킬 수 있다. 논문의 공동 교신저자인 서현욱 성균관대 화학과 박사후연구원은 “백금 촉매 공정은 자동차가 달리면서 온도가 올라가기 전까지는 촉매가 활성화 되지 않아 일산화탄소가 그대로 배출되는 문제가 있었는데, 이를 해결했다”라고 설명했다.
 
100도에서 농도 1%의 일산화탄소를 1분당 10㎖씩 처리할 때는 일산화탄소가 100% 이산화탄소로 전환됐다. 단위 시간당 처리하는 일산화탄소의 양과 온도에 따라 효율에 약간의 차이는 있었지만, 900도에 이르는 고온에서도 촉매의 성능이 그대로 유지됐다. 고온에서 촉매 성능이 떨어지는 다른 백금 대체 소재의 약점을 극복한 것이다.

 

‘온도조절 화학기상 증착법’을 이용해 다공성 알루미나에 입힌 산화철 촉매의 나노 입자를 확대한 모습(위)와 촉매 합성 과정 모식도(아래). 1㎜ 크기의 다공성 알루미나는 직경 10㎚의 미세 기공이 분포해 있다. 김영독 성균관대 교수팀은 이 기공 안쪽까지 산화철 촉매를 입히는 데 성공했다. - 사이언티픽 리포트 제공
‘온도조절 화학기상 증착법’을 이용해 다공성 알루미나에 입힌 산화철 촉매의 나노 입자를 확대한 모습(위)와 촉매 합성 과정 모식도(아래). 1㎜ 크기의 다공성 알루미나에는 직경 10㎚의 미세 기공이 분포해 있다. 김영독 성균관대 교수팀은 이 기공 안쪽까지 산화철 촉매를 입히는 데 성공했다. - 사이언티픽 리포트 제공

● 간편하게 기공 안쪽까지 촉매 증착…실내 공기청정기 촉매로도 활용 가능

 

연구진은 철을 함유한 유기금속화합물 페로센을 촉매 지지체인 다공성 알루미나에서 대기 중 산소, 물과 반응시켜 산화철을 얻었다. 이렇게 형성된 산화철은 다공성 알루미나의 미세 기공 내벽에 직경 약 1나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 나노 입자로 골고루 균일하게 입혀졌다. 기공 안쪽까지 촉매를 채우면 촉매가 작용하는 단위 질량당 표면적이 넓어져 반응이 더 잘 일어난다.

 

연구진이 촉매 제조에 사용한 ‘온도조절 화학기상 증착법’은 기존 기술보다 공정이 단순하고, 대기압 조건에서 사용할 수 있어 고가의 진공 장비도 필요 없다. 온도를 60도 근처로 올려 기화된 페로센이 다공성 알루미나의 기공 내부까지 확산돼 들어가도록 한 뒤, 다시 150도 이상으로 온도를 올려주면 알루미나 표면에서 페로센과 대기 중 산소, 물 분자가 반응해 산화철이 형성된다. 이후 450~750도의 추가 열 처리를 해 주면 촉매로 사용 가능하다.

 
이 산화철 촉매는 배기가스뿐만 아니라 새집증후군을 유발하는 벤젠, 아세트알데히드 등 실내 유해 물질을 이산화탄소로 전환시키는 공기청정기 촉매로도 쓸 수 있다. 김 교수는 “이번에 개발한 산화철 촉매는 합성법이 간단해 대량 생산이 쉽고, 기존 공법보다 비용도 절감할 수 있어 실용화 가능성이 높다”고 말했다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 1월 16일자에 게재됐다.

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