[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

미세먼지의 주요 전구물질인 NOx와 CO의 전세계 연간 배출량이 각각 1억 톤과 5억 톤에 달하며, 이에 따라 배출 규제가 점점 강화되고 있다. 이러한 상황에서 산업 현장에서는 배출되는 오염물질들을 저감하기 위해 촉매반응을 활용한 후처리 공정을 적극 도입하고 있다.

NOx는 환원반응을 통해 질소(N2)와 수증기(H2O)로 전환되며, 이를 위해 NH3 환원제 주입이 필요하다. 주입된 환원제가 반응하지 못하고 배출되는 현상(NH3-slip)에 의해 배가스에 NH3가 포함되며 이는 CO와 함께 산화반응을 통해 저감 된다. 즉, 다종 가스상 처리를 위해서는 환원촉매와 산화촉매를 모두 사용해야 하며, 기존 보고된 기술은 두 종류의 산화/환원 촉매의 혼합을 통해 이루어졌고 추가적인 공간과 높은 운영 비용이 소요되는 한계가 있었다.

한편, 단일 촉매로 산화와 환원 반응을 동시에 수행할 수 있는 동시저감1) 촉매 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 동일한 운영 조건에서 작동하는 공간 집약적 시스템으로, 에너지와 비용 절감 효과를 기대할 수 있으며, 더욱 엄격해지는 가스 배출 규제에 효과적으로 대응할 수 있는 대안으로 평가받고 있다.

그러나 동시저감 반응 과정에서 아산화질소(N2O) 생성, NH3 산화에 의한 NOx 재생성, 그리고 NH3-slip 현상 등 새로운 문제들이 발생할 가능성이 있다. 이에 따라, 반응성이 낮으며 무해한 N2로의 선택적 전환을 가능하게 하는 촉매 개발이 필수적이며, 높은 N2 선택도를 가지는 촉매를 개발하기 위해서는 반응 메커니즘 규명에 대한 명확한 규명이 필수적이다.

2.연구내용

연구팀은 Cu-Ni-Al 로 구성된 이중층수산화물2) 구조를 합성 후 이를 간단한 열처리를 통해 Cu-Ni-Al 금속산화물 복합체 촉매를 개발하였다. Cu-Ni-Al 촉매에서 Cu는 뛰어난 산화/환원 능력으로 인해 주촉매로 작용하며, Ni은 조촉매로서 가스상 물질 흡착 능력을 보완하고, Al은 높은 화학적 및 열적 안정성을 통해 촉매의 안정성을 향상시키는 지지체 역할을 수행한다. 이중층수산화물 구조는 높은 원소 분산성과 넓은 표면적을 제공하며, 이를 전구체로 활용하여 합성한 Cu-Ni-Al 금속산화물 복합체 촉매는 시너지 효과를 극대화하여 225 °C의 반응 온도에서 93.4%, 100%, 91.6%의 높은 NOx, CO, NH3 전환율과 95.6%의 N2 선택도를 달성하였다.

더하여 본 연구팀은 다양한 기체 조성에서의 동시저감 반응 활성을 비교 분석하여 CO가 과량인 조건에서 CO산화 반응 도중 생성된 활성 산소가 NH3의 산화를 촉진하는 시너지 효과와, 환원제 (NH3)의 감소로 인해 NOx의 환원 반응이 억제되는 트레이드-오프 현상을 발견했다. 이를 통해 동시저감 반응 메커니즘을 최초로 규명하였으며, CO가 과량인 환경에서의 효과적인 동시저감 반응을 위한 NH3/NOx 비율을 제시했다.

마지막으로, 연구팀은 개발된 Cu-Ni-Al 금속산화물 복합체 촉매를 대량생산하여 형상촉매로 제작한 뒤, 단순 실험실 규모 (500 mL min-1)가 아닌 높은 유속을 가지는 세미벤치 규모 (10 L min-1)에서도 실험을 진행했다. 이를 통해 NOx, CO, NH3 전환율 각각 78.6%, 92%, 73.5%와 99.9%의 N2 선택도를 달성하여 실용화 가능성을 증명했다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 동시저감 촉매 기술은 NOx, CO, NH3와 같은 주요 대기오염물질을 효과적으로 제거할 수 있어 산업 현장에서 발생하는 미세먼지 전구물질 저감에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이를 통해 국내외 대기질 개선에 긍정적인 영향을 미칠 것이다.

또한, 산화 및 환원 반응을 하나의 촉매에서 동시에 수행할 수 있는 일체형 촉매 기술은 기존의 개별 촉매 운영 방식과 비교하여 공간, 에너지, 운영 비용을 대폭 절감할 수 있다. 이를 통해 산업 전반의 경제적 효율성을 높이는 데 기여할 수 있다.

마지막으로, 이중층수산화물 구조를 전구체로 활용하여 합성된 촉매는 높은 원소 분산성과 표면적, 대량생산 가능성을 바탕으로 다양한 다종 가스 처리 및 친환경 연료 생산 등 다른 촉매 응용 분야에도 활용될 수 있어, 촉매 연구 분야의 학문적 및 산업적 확장성을 제공할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.동시저감

동시저감 반응은 하나의 촉매를 이용해 다양한 가스상 오염물질 (예: NOx, CO, NH3)을 동시에 제거하는 반응을 말하며, 기존의 각 오염물질에 대해 별도의 촉매를 사용했을 때와 비교하여 공간과 에너지를 절약하고 처리 효율을 극대화할 수 있다는 장점을 가져 산업 현장에서 발생하는 대기오염물질 저감과 비용 절감에 매우 효과적인 기술로 주목받고 있다.

2.이중층수산화물

이중층수산화물은 두 종류 이상의 금속 양이온을 포함하는 금속수산화물 기반의 2차원 층상구조 물질로, 일반적인 화학식은 [M2+1−xM3+x]x+(OH)2·An−x/n·mH2O로 나타낼 수 있다. 여기서 M2+와 M3+은 각각 2가 및 3가 금속 양이온을 의미하며, An−은 층간에 삽입되는 음이온을 의미한다. Mg2+, Al3+ 및 다양한 전이금속 양이온들이 구조체 내에 포함될 수 있으며, 높은 금속 원소 분산성, 조성 조절의 유연성, 넓은 표면적, 대량생산 가능성 등 다양한 장점을 지니고 있어 촉매, 촉매 전구체, 흡착제, 전기화학 소재 등 다양한 분야에서 활용된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. Cu-Ni-Al 이중층수산화물 구조를 전구체로 한 금속산화물 복합체 촉매 개발 모식도와 동시저감 촉매 반응 메커니즘 모식도 Cu-Ni-Al이 균일하게 분산된 이중층수산화물 구조 (왼쪽 아래)를 간단한 열처리를 통해 금속산화물 복합체 촉매 (오른쪽 아래)를 합성하여 NOx, CO, NH3 동시저감 반응에 이용하였다. CO산화 반응 중 생성된 활성 산소 (O*)는 NH3 산화 반응을 촉진하며 시너지 효과를 유발하는 한편, NH3의 산화로 인해 NOx를 환원할 환원제 (NH3)가 부족해져서 NOx 전환이 억제되는 트레이드-오프 현상이 발생한다 (위).