미래창조과학부(장관 최양희)는 “배기가스의 유해물질을 인체에 무해한 물질로 바꾸는 촉매 소재로 고가의 백금 대신 저가의 산화철*을 이용한 기술이 개발되었다”고 밝혔다.

   *산화철 : 철과 산소의 화합물로 그 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. 하지만 저가의 산화철을 이용한 배기가스 처리용 촉매에서 인체에 유독한 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는데 높은 효율이 나타남을 확인하였다.

 

 김영독 교수 연구팀(성균관대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 1월 16일자에 게재되었다.  

 

 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

   - 논문명 : Low Temperature CO oxidation over Iron Oxide Nanoparticles Decorating Internal Structures of Mesoporous Alumina

   - 저자 정보 : 김영독 교수(교신저자, 성균관대), 서현욱 박사 (교신저자, 성균관대) 김일희 (제1저자, 성균관대)  

 

 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

 일산화탄소는 자동차, 공장 등에서 화석연료의 불완전 연소에 의해서 발생한다. 인체에 유해하여 대기에 배출하기 전 촉매 공정을 거쳐 이산화탄소로 전환시켜 배출하는 것이 일반적이다. 현재 사용되는 백금 계열의 촉매들은 온도가 섭씨 150도 이상이 되어야 유해물질을 전환시킬 수 있고, 가격이 비싸다. 대안으로 고려되고 있는 많은 촉매들은 700~800도 이상의 온도에서 구조적 안정성이 떨어지며 구조의 변화에 따라 초기의 촉매 활성을 잃어버리는 문제가 있다. 자동차 구동 시 실제 촉매부의 온도는 700도 이상에 이르기 때문에 높은 온도에서도 높은 구조적 안정성을 가지는 백금 대체 촉매의 개발이 필요하다.

      *촉매 : 촉매는 화학반응에 의하여 소모되거나 생산되지는 않으면서 화학반응의 속도를 높여주는 물질. 촉매 없이는 높은 온도에서 일어나는 반응의 반응온도를 낮춰주는 역할을 한다.

 

 2. 연구 내용

 

 이 연구에서는 온도조절 화학기상증착법*을 이용하여 페로센*이라는 철을 함유하는 유기금속화합물과 대기 중의 산소 및 물을 기상에서 반응시켜 산화철을 형성시키는 기법을 사용하였다. 이 때 형성되는 산화철이 10 나노미터 정도의 기공으로 이루어져 있는 알루미나 세공체의 기공 내벽에 1 나노미터 크기의 매우 작은 나노입자 형태로 증착됨을 확인하였다. 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 증착법*과 같은 기존의 기상증착법*을 이용하면 촉매를 기공안쪽에까지 증착시킬 수 있으나 그 공정이 복잡하고 값비싼 진공장비가 필요하다는 단점이 있다.

       *온도조절 화학기상증착법 : 기존의 원자층 증착법과 화학기상증착법의 장점을 모두 가지고 있는 증착법. 별도의 진공장비가 필요 없이 간단하게 반응기 내부에 유기금속화합물과 기판으로 사용되는 재료를 넣고 대기조건에서 온도를 최소 두 단계에 걸쳐 올리는 과정을 통하여 재료에 금속산화물의 박막이나 나노입자를 형성시킬 수 있는 기법

       *페로센: 철 양이온이 사이클로펜타디이엔일 음이온 2개에 갇힌 유기금속화합물로 상온에서는 고체이며, 본 연구에서는 60도 정도로 가열하여 기화시켜 산화철 나노입자 합성에 사용함.

       *원자층 증착법 : 반응기에 최소 두 가지의 화합물을 번갈아가면서 주입하는 방식으로 얇은 박막을 증착하는 기법

       *기상증착법 : 반응기에 금속 증기를 주입하여 박막이나 나노입자를 형성시키는 공정으로써 크게 화학적 기상증착법과 물리적 기상증착법으로 나뉨.

 

 온도조절 화학기상증착법은 착반응기의 온도를 최소 2단계에 걸쳐 조절한다는 점과 모든 반응이 대기조건에서 진행된다는 점에서 기존의 화학기상증착법과 구분이 된다. 특히 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 확인하였다.

     

 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. 100도씨 부근에서는 장기적인 구동조건에서도 촉매의 피독* 현상 없이 촉매 활성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.

  *알루미나 세공체 : 1 mm 직경의 알루미나로 이루어진 입자이며 입자 내부에는 평균 ~10 나노미터 (1나노미터 = 10-9 미터) 정도의 미세한 기공으로 이루어져 있어서 비표면적이 1g 당 150 m2 정도로 매우 높음.

  *촉매의 피독 : 촉매의 활성이 반응시간이 지나면서 감소하는 현상

 

 이 구조를 900도 정도의 고온에서 열처리 한 후에 다시 100도씨에서 일산화탄소 산화 촉매로 이용하였다. 900도 열처리 이후에도 원래의 촉매활성과 유사한 활성을 보임을 확인하였다. 이는 해당 촉매가 고온에서 뛰어난 안정성이 가지고 있음을 의미하며, 본 촉매가 구동 시 온도가 700도 이상의 고온으로 유지되는 자동차 배기가스 처리부에 사용되는 촉매로써의 실제 응용에 큰 가능성을 가지고 있음을 의미한다.

 

 3. 연구 성과  

 

 기존의 백금 등 고가의 물질을 사용하지 않고 값싼 산화철을 손쉽게 나노입자화시켜 알루미나 세공체에 골고루 분포하도록 하여 저온에서 높은 촉매활성을 보이고, 고온에서도 구조가 안정성을 띄는 촉매를 개발하였다.

 이번 연구는 산화철을 매우 작은 나노입자의 형태로 합성하고, 나노입자가 나노 세공체의 내부에 골고루 분포된 상태로 증착되도록 만들었다. 특히 이 연구에서 사용한 온도조절 화학기상 증착법은 비슷한 구조를 형성할 수 있는 원자층 증착법* 등과 달리 진공장비를 이용하지 않고 대기압을 그대로 사용하였다. 때문에 합성 과정이 간단하여 향후 실용화 연구를 지속하여 대량생산이 용이하게 할 수 있다.

 

 

 

 김영독 교수는 “이 연구는 새로운 나노 촉매 합성법인 온도조절 화학기상증착법을 개발한 것이다. 합성 방법이 간단하여 대량생산이 가능하다. 기존 촉매보다 값이 싼 물질을 이용하여 실용화 가능성도 높다. 자동차 배기가스에 존재하는 일산화탄소의 처리뿐만 아니라 실내 대기에 존재하는 벤젠과 같은 새집증후군 유발물질을 이산화탄소로 전환시켜주는 촉매로도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명하였다.