열처리기술로 배기가스 유해물질 처리한다

열처리기술로 배기가스 유해물질 처리한다

  • 뿌리산업
  • 승인 2017.02.07 17:25
  • 댓글 0
기자명 엄재성 기자 jseom@snmnews.com
이 기사를 공유합니다

성대 김영독 교수팀, 산화철 이용해 유해물질을 무해물질로 전환하는 촉매 개발

국내 연구팀이 열처리기술을 이용해 배기가스 처리를 위한 저비용 고효율 처리 촉매 기술을 개발했다.

미래창조과학부는 김영독 성균관대 교수 연구팀이 배기가스의 유해물질을 인체에 무해한 물질로 바꾸는 촉매 소재로 고가의 백금 대신 저가의 산화철을 이용한 기술이 개발됐다고 7일 밝혔다.

온도조절 화학기상 증착법을 이용해 제조한 시료의 분석 결과 및 촉매 합성 과정의 모식도. (출처=미래창조과학부)

자동차 연료의 불완전 연소에 의해 자동차 배기가스에는 다량의 일산화탄소가 함유돼 있으며, 일산화탄소가 대기 중으로 배출돼 인체에 유입될 경우에는 인체에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

현재 자동차 백금 계열의 나노 촉매가 배기가스 처리 촉매장치에 사용되고 있다. 그러나 백금 계열 촉매는 온도가 섭씨 150도 이상이 돼야 유해물질의 전환이 가능하다. 또 백금의 매장량이 한정돼 있고 가격이 비싸다.

대안으로 금과 구리 등의 나노 촉매가 고려되고 있는 금과 구리 나노 촉매의 경우 열적 안정성이 떨어지며, 700도에서 800도 온도에서 구조적 안정성이 떨어져 촉매활성을 잃어버리는 문제가 있다.

김영독 교수 연구팀은 온도조절 화학기상증착법을 이용해 ‘페로센’이라는 철을 함유하는 유기금속화합물과 대기 중의 산소 및 물을 기상에서 반응시켜 산화철을 형성시키는 기법을 사용했다.

이때 형성되는 산화철이 10 나노미터 정도의 기공으로 이뤄져 있는 알루미나 세공체의 기공 내벽에 1 나노미터 크기의 매우 작은 나노입자 형태로 증착됨을 확인했다.

다공성 알루미나는 큰 비표면적과 뛰어난 열적안정성을 가지고 있어 촉매의 지지체로 크게 각광받고 있는 물질이다.

하지만 기존의 액상공정을 통한 촉매 제조방법으로는 나노미터 수준의 기공 안쪽까지 촉매를 증착시키기 어려우며, 원자층 증착법과 같은 기존의 기상증착법을 이용하면 촉매를 기공안쪽에까지 증착시킬 수 있으나 그 공정이 복잡하고 값비싼 진공장비가 필요하다는 단점이 있다.

온도조절 화학기상증착법은 착반응기의 온도를 최소 2단계에 걸쳐 조절한다는 점과 모든 반응이 대기조건에서 진행된다는 점에서 기존의 화학기상증착법과 구분된다. 나노미터 수준의 기공안쪽에까지 금속산화물 나노입자를 균일하게 증착시킬 수 있다.

이번 연구에서 주사전사현미경을 이용한 분석을 통해 이 제조법을 이용하면 그 입자의 직경이 대략 1 밀리미터 수준이고 10나노미터 수준의 기공을 가지는 알루미나의 기공내부에 산화철 나노입자를 골고루 분포시킬 수 있음을 확인했다.

알루미나 세공체 내부에 증착된 산화철 나노입자들을 일산화탄소와 산소를 반응시켜 이산화탄소를 생성시키는 반응의 촉매로 이용해 보았다.

100도 이상의 온도에서부터 활성을 보이는 백금 촉매와 달리 상온에서부터 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되는 것을 확인할 수 있었다. 또 100도씨 부근에서는 장기적인 구동조건에서도 촉매의 피독현상 없이 촉매 활성이 유지되는 것을 확인했다.

이 구조를 900도 정도의 고온에서 열처리 한 후에 다시 100도씨에서 일산화탄소 산화 촉매로 이용했으며, 900도 열처리 이후에도 원래의 촉매활성과 유사한 활성을 보임을 확인했다.

연구를 주도한 김영독 교수는 “이 연구는 새로운 나노 촉매 합성법인 온도조절 화학기상증착법을 개발한 것이며 합성 방법이 간단해 대량생산이 가능하다”며 “기존 촉매보다 값이 싼 물질을 이용해 실용화 가능성도 높다”고 설명했다.

그러면서 “자동차 배기가스에 존재하는 일산화탄소의 처리뿐만 아니라 실내 대기에 존재하는 벤젠과 같은 새집증후군 유발물질을 이산화탄소로 전환시켜주는 촉매로도 응용할 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

한편 이 논문은 국제적 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report)에 지난달 16일자로 게재됐다.

저작권자 © 철강금속신문 무단전재 및 재배포 금지
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.