KIST, 바나데이트 기반 새 촉매로 초미세먼지 잡는다

초미세먼지의 주요 원인 물질은 질소산화물이다. 주로 배기가스에 포함되어 있다.

탈질촉매 공정은 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시켜 대기환경을 개선하는 기술이다. 탈질촉매의 활성화에 필요한 막대한 열에너지를 줄이고, 배기가스에 포함된 황 기반 피독물에 대한 내구성을 확보하는 것이 탈질촉매 개발의 최대 난제다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 극한소재연구센터 김종식, 하헌필 박사팀이 바나데이트 기반 신탈질촉매를 제안하고, 황을 사용하여 촉매 표면을 개질함으로써 초저온에서도 고탈질 특성을 가지고 황에 대한 고내구 특성을 달성하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

기존 탈질촉매 연구는 주로 바나듐, 전이금속, 희토금속 산화물들을 선정한 후 성분이나 산화조건, 조합 순서 등 최적의 물리적 조합조건을 찾는 금속산화물 기반 연구였다. 반면 KIST 연구진은 바나듐 산화물과 금속산화물을 화학적으로 융합하는 금속 바나데이트 기반 탈질촉매 연구를 제안했다.

연구진은 바나데이트 촉매가 배기가스에 포함된 증기, 황, 피독물 때문에 촉매 성능이 낮아지는 현상을 개선시키고, 수열(hydrothermal aging)에 대한 내성도 높이는 효과가 있음을 밝혔다. 기존 금속산화물 기반 촉매보다 촉매표면과 원자적 및 전자적 특성이 좋고 및 탈질활성을 가졌기 때문이다.

또 연구진은 촉매를 피독시켜 내구성을 떨어뜨린다고 알려진 황(SOX)에 대한 인식을 전환해 새로운 방법론을 고안했다. 황과 산소를 융합시켜 황산염·아황산염 기능기들을 바나데이트 촉매 표면에 생성시키되, 생성된 기능기들이 탈질 반응 및 피독물 분해 반응 활성들을 제어하게 했다. 황과 산소가 융합되는 촉매 표면의 온도를 변화시켜 기능기들의 종류, 분포, 표면결합 형상(한 자리 결합 또는 두 자리 결합)을 제어하고, 피독물 분해 반응 기작을 규명했다.

한 자리 결합 또는 황산염이 많은 바나데이트 촉매의 경우 초저온(210℃)에서는 상용 촉매 대비 30% 높은 탈질율을, 220℃ 이상에서는 100%에 가까운 탈질율을 제공한다. 두 자리 결합이 많은 바나데이트 촉매의 경우 상용촉매보다 작은 열에너지로 피독물들을 효율적으로 분해할 수 있고, 이에 따라 최소 3배 이상의 내구성을 가진다.

예를 들어 배기가스의 온도를 240℃로 설정하면 두 자리 결합이 많은 바나데이트 촉매는 피독물을 원활히 분해하여 탈질율을 회복할 수 있는 반면, 상용 촉매는 피독물 분해가 어려워 피독 전의 탈질율을 회복시킬 수 없다.