미세먼지 삼총사, 촉매 하나로 잡는다!… 고효율 다기능성 촉매 개발

봄철 불청객 미세먼지를 효율적으로 감축할 수 있는 물질이 개발됐다.

UNIST 신소재공학과 조승호 교수팀은 한국생산기술연구원 김홍대 박사팀, 한국에너지기술연구원 김광영 박사와의 공동연구를 통해 미세먼지 전구물질 3종을 동시에 제거할 수 있는 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

미세먼지 전구물질인 질소산화물(NOx) 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3) 등은 산업현장에서 주로 배출된다. 이들 전구물질은 공기 중에서 반응해 희뿌연 미세먼지 입자로 바뀐다.

특히 질소산화물은 세계적 방출량이 1억 톤에 이르는 데다 유독성이 크다. 이 질소산화물을 무해한 질소로 바꾸기 위해 암모니아를 넣어 촉매로 화학반응 시키는데, 반응에 참여하지 못한 암모니아가 다시 흘러나온다. 잔류 암모니아는 또 다른 촉매를 넣어 폐가스 속 일산화탄소와 반응시켜 제거한다. 이 같은 방식은 총 2종류의 촉매가 필요해 경제성이 떨어지고, 설비 공간도 많이 차지했다.

이번에 개발된 금속산화물 촉매(Cu-Ni-Al) 는 두 가지 촉매의 기능을 수행해 3종류의 전구물질을 동시에 제거한다. 제거 성능을 나타내는 전환율은 NOx, CO, NH3 각각 93.4%, 100%, 91.6%를 기록했다. 또 질소 선택도 또한 95.6%로 높았다. 질소 선택도가 높다는 것은 아산화질소와 같은 유해한 반응 부산물이 발생하지 않았단 의미다.

[연구그림] ACS Nano 표지 이미지. 촉매 표면(바닥에 깔린 물질)에서 미세먼지 전구체가 반응하는 모습을 형상화 했다.

연구팀은 이 촉매가 최고의 성능을 낼 수 있는 가스 배합 비율도 알아냈다. 동시 저감 반응 메커니즘을 최초로 규명했으며, 이를 바탕으로 일산화탄소 다과 환경에서 최적의 암모니아 주입 비율 등을 제시했다.

상업화를 위한 성능도 검증했다. 대량 생산된 가루 촉매를 실제 공장의 고유속 환경을 버틸 수 있는 덩어리 형태(성형체)로 만든 뒤 성능 테스트를 했을 때도 높은 전환율을 기록했다.

연구를 총괄한 조승호 교수는 “개발된 촉매는 상대적 저온인 225 °C에서도 쓸 수 있고, 성형체로 제작된 상태에서도 뛰어난 성능을 보여 상용화가 기대된다”고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 신소재공학과 장원식, 이명진 연구원이 제1저자로 참여했으며, 성형체 촉매 실증 연구는 한국생산기술연구원이, 촉매 메커니즘 분석은 한국에너지기술연구원이 주도했다.

연구결과는 나노 과학분야 저명 학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano) 표지논문으로 선정돼 1월 21일에 출판됐다.