▲ 단일 원자 촉매와 앙상블 촉매의 촉매 구조와 성능 비교 모식도

국내 연구진이 기존의 단일원자 촉매, 나노입자 촉매와는 다른 개념의 새로운 촉매를 개발해 자동차 배기가스 정화 등에 활용한다는 계획이다.

KAIST는 이현주 생명화학공학과 교수가 한정우 포항공대 교수와 공동 연구를 통해 자동차 배기가스 정화에 사용할 수 있는 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매를 개발했다고 지난 23일 밝혔다.

대표적인 자동차 배기가스 오염물질인 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 등의 탄화수소는 반드시 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소와 물로 전환한 뒤 배출돼야 한다. 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야 탄화수소 산화반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해 금속 앙상블 자리 확보가 필수다.

연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 ‘로듐 앙상블 촉매’를 개발했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있기 때문에 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미이다.

연구팀의 촉매는 자동차 배기가스 정화 반응에서 시중의 디젤 산화 촉매에 비해 50도 낮은 온도에서 100%의 전환율을 달성했다.

그 결과 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 프로필렌, 프로판 산화 반응에서 모두 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없는 단일원자 촉매나 낮은 금속 분산도로 인해 저온 촉매 성능이 떨어지는 나노입자 촉매의 단점을 보완한 것이다.

단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있기 때문에 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.

이는 단일원자 촉매도 동일하게 갖는 특징이지만, 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점 또한 갖고 있다.

특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매는 상용화된 디젤 산화 촉매(DOC)보다 높은 활성과 내구성을 가져 실제 자동차 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.

이현주 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존의 단일원자, 나노입자 촉매와는 다른 새로운 금속 촉매 개념으로 학술적으로 기여하는 바가 크다”며 “자동차 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 가치가 큰 연구”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업 초저에너지 자동차 초저배출 사업단의 지원을 받아 수행됐다. 정호진 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국 화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’ 7월5일자 온라인 판에 게재됐다.