탈질촉매 공정은 배기가스에 포함된 초미세먼지의 대표 원인물질인 질소산화물(NOx)을 질소로 환원시켜 대기환경을 개선하는 기술이다. 활성화에 필요한 막대한 열에너지 감축, 배기가스에 포함된 황(SOx) 기반 피독물 내구성 확보는 탈질촉매 개발 최대 난제다.
한국과학기술연구원(KIST)은 극한소재연구센터 김종식, 하헌필 박사팀이 바나데이트 기반 신탈질촉매를 제안하고, 황을 사용해 촉매 표면을 개질해 초저온에서도 고탈질 특성을 가지고 황에 대한 고내구 특성을 달성하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
탈질촉매 관련 기존 연구 동향은 바나듐, 전이금속, 희토금속 산화물들을 선정하고, 최적의 물리적 조합조건(성분, 산화조건, 조합순서 등)을 찾는 금속산화물 기반 연구였다. 반면 KIST 연구진은 바나듐 산화물과 금속산화물을 화학적으로 융합하는 금속 바나데이트 기반 탈질촉매 연구를 제안했다.
연구진은 기존 금속산화물 기반 촉매와 대비해 바나데이트 촉매가 보다 우월한 촉매표면, 원자적, 전자적 특성 및 탈질활성을 가져 배기가스에 포함된 증기, 황, 피독물로 인해 촉매 성능이 낮아지는 현상을 개선시킬 뿐만 아니라 수열(hydro-thermal aging)에 대한 내성도 개선시키는 효과가 있음을 밝혔다.
또한 연구진은 촉매를 피독시켜 내구성을 떨어뜨린다고 알려진 황(SOx)에 대한 인식을 전환하여, 황과 산소를 융합시켜 황산염·아황산염 기능기들을 바나데이트 촉매 표면에 생성시키되, 생성된 기능기들이 탈질 반응 및 피독물 분해 반응 활성들을 제어하는 방법론을 고안하였다. 연구진은 황과 산소가 융합되는 촉매 표면의 온도를 변화시켜 기능기들의 종류, 분포, 표면결합 형상(한 자리 결합 또는 두 자리 결합)을 제어하고, 피독물 분해 반응 기작을 규명하였다.
한 자리 결합 또는 황산염이 많은 바나데이트 촉매의 경우 초저온(210도)에서는 상용 촉매 대비 30% 높은 탈질율을, 220도 이상에서는 100%에 가까운 탈질율을 제공한다. 두 자리 결합이 많은 바나데이트 촉매의 경우에는 상용촉매 대비 작은 열에너지(낮은 온도)하에서 피독물들을 효율적으로 분해할 수 있고, 이에 따라 최소 3배 이상의 내구성을 가진다. 예를 들어 배기가스의 온도를 240도로 설정하면 두 자리 결합이 많은 바나데이트 촉매는 피독물을 원활히 분해하여 탈질율을 회복(재생)할 수 있는 반면에 상용 촉매는 피독물 분해가 어려워 피독 전의 탈질율을 회복시킬 수 없다.
KIST 김종식 박사는 “바나데이트는 금속의 종류나 바나듐과 금속의 화학양론비를 제어하여 다양한 결정상들로 가공될 수 있고, 황산염 아황산염 기능기와 융합시 탈질능/재생능/내구능의 맞춤형 증진이 가능하다”고 연구성과의 의의를 밝혔다. KIST 하헌필 박사는 “이번 연구결과는 온도가 낮거나 촉매가 피독되기 쉬운 극한조건에서 운전되는 탈질공정의 다양한 요구를 충족시킬 수 있는 실용화 가능한 기술”이라고 기대했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 화학분야 국제 학회지인 'ACS Catalysis' 및 'Chemistry of Materials' 최신호에 게재되었다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
