KAIST, 배기가스 정화용 로듐 앙상블 촉매 개발

단일원자·나노입자 촉매 단점 보완… 학술·산업적 가치 커

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 이현주 교수는 포항공대 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 자동차 배기가스 정화에 사용할 수 있는 '분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매'를 개발했다고 23일 밝혔다.

연구팀은 수열처리 방법을 통한 금속 재분산 현상 등을 이용, 이 앙상블 촉매(두 개 이상의 금속 원자가 서로 붙어서 존재하는 촉매)를 제조했다.

이어 'CO 화학흡착', 'X-ray 흡수 분광법', '적외선 분광법', '에너지 분산 분광법' 등의 특성분석 기법을 이용, 100% 분산도를 갖는 앙상블 촉매의 구조를 명확하게 규명해낼 수 있었다.

분산도 100% 로듐 앙상블 촉매를 이용한 자동차 배기가스 정화 반응 개념도./자료제공=KAIST

이 앙상블 촉매는 기존의 '단일원자 촉매'나 '나노입자 촉매'와는 다른 새로운 개념의 촉매로 모든 자동차 배기가스 산화 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 나타낸다는 게 연구팀의 설명이다.

자동차 배기가스에는 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 프로필렌(C3H6), 프로판(C3H8) 등의 오염물질이 존재하는데 반드시 산화 반응을 통해 정화시켜 배출해야 한다.

이번 연구결과 단일원자 촉매는 프로필렌과 프로판 산화 반응에서 촉매 성능을 전혀 나타내지 못했고 나노입자 촉매는 낮은 금속 분산도로 인해 저온 성능이 현저히 떨어졌다.

반면 연구팀이 개발한 이 앙상블 촉매는 모든 자동차 배기가스 산화 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 보였다.


특히, 상용 디젤 산화 촉매에 비해서도 이 앙상블 촉매는 50도 낮은 온도에서 100% 전환율을 보이며 높은 저온 촉매 성능을 발휘한데다 305시간 동안 장기 안정성도 더 우수했다.

이현주 교수는 "이번에 개발된 이 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매와 나노입자 촉매의 한계를 극복한 새로운 촉매인데다 실제 자동차 배기가스 정화 반응에 적용될 수 있다는 점에서 학술적 부분은 물론 산업적으로도 그 가치가 매우 크다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지인 '미국 화학회지(JACS)' 7월 5일자 온라인 판에 게재됐다.