[대한뉴스=박경미 기자] 연세대학교 미래캠퍼스(미래캠퍼스부총장 권명중)는 환경에너지공학부 전유권 교수와 세계 최대 촉매 회사 중 하나인 존슨 매티(Johnson Matthey), 영국 켄트 대학교(University of Kent), 그리고 영국 세인트앤드류스 대학교(University of St Andrews)의 존 어바인(John T. S. Irvine) 교수 연구팀이 산업이나 자동차에서 다량 배출되는 유해 가스들의 효율적인 저감을 위한 새로운 페로브스카이트 구조 백금 촉매 재료를 개발했으며, 관련 연구 개발 결과가 5월 24일(월) 화학 분야 최고 권위지인 네이처 화학지(Nature Chemistry)에 게재되었다고 28일 밝혔다.
지구의 환경 및 기후 변화에 관한 관심이 높은 상황에서, 산업 또는 자동차에서 배출되는 유해 가스로 인한 대기질 오염은 중요한 이슈이다. 특히, 우리나라에서 크게 문제 되는 미세먼지 입자(PM)뿐만 아니라 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)는 호흡기에 악영향을 미치고 탄화수소(HC) 가스와 함께 광화학 스모그를 일으켜 세계 여러 곳에서 이들의 저감을 위한 연구 활동이 활발한 이루어지고 있다. 최근, 자동차 시장에서는 전기 및 수소연료전지와 같은 대안들이 나오고 있지만, 아직 디젤 또는 가솔린 자동차들의 수요가 높아 배기가스 규제는 더욱 강화될 것으로 보인다.
현재 자동차 배기가스 촉매 장치에는 귀금속(백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)..)을 혼합하여 산화물 지지체에 담지한 촉매들을 이용하고 있지만 비싼 가격, 내구성 문제와 강화될 규제를 맞추기 위해 새로운 촉매 시스템 개발이 필요한 상황이다. 실제 배기가스 조건은 반응 온도가 계속 변하고 미세먼지(PM), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)가 포함된 굉장히 극심한 환경이기 때문에 귀금속 촉매의 증발, 응집, 피독이 일어나고 탄소 침적 및 지지체의 붕괴로 촉매의 비활성화가 굉장히 심하다. 이를 해결하기 위해, 안정적 지지체에 소량의 귀금속이 작은 나노 입자상으로 고분산된 이상적인 촉매 표면 구조를 개발하는 것이 중요하다.
연구팀은 반응 및 공정에 따라 조성 변화가 다양하며 금속 치환법인 도핑을 통해 물질 구조 디자인이 용이한 페롭스카이트 구조 (ABO3)를 가진 소재를 배기가스 저감 촉매로 제안했다. 특히, 높은 온도 및 산화/환원 반응 분위기에서 안정적이므로 촉매뿐만 아닌 다양한 에너지 소재로까지 그 활용 가능성이 높아 큰 주목을 받고 있다.
이번 연구에서는 높은 온도에서 불안정한 백금(Pt)을 특정 전구체를 활용해 일반적으로 고온 및 특정 분위기에서 합성하는 페로브스카이트 물질의 구조 내에 안정적으로 도핑하는데 성공했다.
이와 같은 결과를 통해, 연구팀은 소량의 백금 나노 입자들을 직접 엑솔루션 (in-situ exsolution) 방법을 통해 페롭스카이트 표면에 효율적으로 고분산 시킨 새로운 촉매 구조를 개발하였다. 직접 엑솔루션 방법은 물질의 화학적 구조 변형과 특정 분위기에서 페로브스카이트와 같은 구조 내에 도핑된 금속을 표면으로 직접 유도하는 방법이다. 본 개발 촉매 재료는 세계 최대 촉매 회사 중 하나인 존슨 매티(Johnson Matthey)와의 공동 연구를 통해 실제 자동차 조건에서 높은 배기가스 저감 효율이 확인됐으며, 백금과 페로브스카이트 지지체와의 상호 작용이 매우 강해 내구성에 유리한 촉매 구조를 가져 미래의 자동차 또는 산업 배기가스 저감 촉매로서의 가능성을 보여주었다.
연세대학교 미래캠퍼스 환경에너지공학부의 전유권 교수는 “백금 촉매와 페로브스카이트 소재는 다양한 분야에 활용이 되고 있어 본 연구 성과는 환경 분야뿐만 아니라 에너지 분야와 같이 더욱 넓은 범위로 소재 및 시스템의 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
o 이번 연구는 연세대학교 미래캠퍼스 환경에너지공학부의 전유권 BK 참여교수가 공동 제1저자로
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