배기가스 처리하는 '값싼' 촉매 나왔다

백금 촉매 대신 산화철 이용한 촉매 기술 개발

▲온도조절 화학기상 증착법을 이용해 제조한 시료의 분석 결과와 촉매 합성 과정의 모식도.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 배기가스를 인체에 무해하게 처리할 수 있는 값싼 촉매가 개발됐다. 자동차 배기가스는 물론 새집증후군 유발물질도 전환이 가능하다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 배기가스의 유해물질을 인체에 무해한 물질로 바꾸는 촉매 소재로 고가의 백금 대신 저가의 산화철을 이용한 기술이 개발됐다고 7일 발표했다. 산화철은 철과 산소의 화합물로 이를 구성하는 철 이온은 산화수에 따라 이산화철(II), 삼산화철(III), 사산화철(IV) 등으로 구분된다.

자동차, 공장의 배기가스는 유해물질을 인체에 무해한 물질로 전환시키는 촉매 소재로 백금 등 귀금속을 사용한다. 저가의 산화철을 이용한 배기가스 처리용 촉매에서 인체에 유독한 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는데 높은 효율이 나타남을 확인했다.

일산화탄소는 자동차, 공장 등에서 화석연료의 불완전 연소로 발생한다. 인체에 유해해 대기에 배출하기 전 촉매 공정을 거쳐 이산화탄소로 전환시켜 배출하는 것이 일반적이다. 현재 사용되는 백금 계열의 촉매들은 온도가 섭씨 150도 이상이 돼야 유해물질을 전환시킬 수 있다. 가격도 비싸다.

대안으로 고려되고 있는 많은 촉매들은 700~800도 이상의 온도에서 구조적 안정성이 떨어지며 구조의 변화에 따라 초기의 촉매 활성을 잃어버리는 문제가 있다. 자동차가 움직일 때 실제 촉매부의 온도는 700도 이상에 이르기 때문에 높은 온도에서도 높은 구조적 안정성을 가지는 백금 대체 촉매의 개발이 필요했다.

연구팀은 온도조절 화학기상증착법을 이용해 페로센이라는 철을 함유하는 유기금속화합물과 대기 중의 산소, 물을 기상에서 반응시켜 산화철을 형성시키는 기법을 사용했다. 이 때 형성되는 산화철이 10나노미터 정도의 기공으로 이뤄져 있는 알루미나 세공체의 기공 내벽에 1나노미터 크기의 매우 작은 나노입자 형태로 증착됨을 확인했다.

다공성 알루미나는 큰 비표면적과 뛰어난 열적안정성을 가지고 있어 촉매의 지지체로 크게 각광받고 있는 물질이다. 기존의 액상공정을 통한 촉매 제조방법으로는 나노미터 수준의 기공 안쪽까지 촉매를 증착시키기 어려웠다. 원자층 증착법과 같은 기존의 기상증착법을 이용하면 촉매를 기공안쪽에까지 증착시킬 수 있었는데 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 1밀리미터 수준이고 10나노미터 수준의 기공을 가지는 알루미나의 기공내부에 산화철 나노입자를 골고루 분포시킬 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 김영독 성균관대 교수 연구팀이 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 1월16일자(논문명 : Low Temperature CO oxidation over Iron Oxide Nanoparticles Decorating Internal Structures of Mesoporous Alumina)에 실렸다.

김 교수는 "이번 연구는 새로운 나노 촉매 합성법인 온도조절 화학기상증착법을 개발한 것"이라며 "합성 방법이 간단해 대량생산이 가능하고 기존 촉매보다 값싼 물질을 이용해 실용화 가능성도 높다"고 말했다. 그는 "자동차 배기가스에 존재하는 일산화탄소의 처리뿐 아니라 실내 대기에 존재하는 벤젠과 같은 새집증후군 유발물질을 이산화탄소로 전환시켜주는 촉매로도 응용할 수 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다.