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질소산화물은 공장 굴뚝, 자동차, 선박 등 연료를 태우는 곳이면 어디서든 나오는 대기오염물질이다. 태우는 연료 종류, 장비 운전 조건에 따라 배출되는 질소산화물의 온도가 제각각인데, 이러한 변화에도 꾸준히 질소산화물을 제거할 수 있는 새 촉매가 나왔다. UNIST 신소재공학과 조승호 교수팀은 한국생산기술연구원 울산기술실용화본부 김홍대 박사팀과 함께 240~400 ℃의 넓은 온도 범위에서 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있는 탈질 촉매를 개발했다고 17일 밝혔다. 대기 중에 배출된 질소산화물은 미세먼지, 오존 오염, 산성비의 원인이 된다. 선택적 촉매 환원(SCR) 방식을 통해 질소산화물을 무해한 질소로 바꾸고 있지만, 상용 바나듐-텅스텐 촉매가 주로 350 ℃에서만 고효율을 내는 탓에 온도 변화가 심한 실제 현장에서는 성능이 급격히 떨어진다는 한계가 있었다. 반면 연구팀이 개발한 촉매는 240 ℃에서 질소산화물 제거 효율이 93.6%에 달하고, 고온 영역에서도 97% 이상의 전환 효율을 안정적으로 유지한다. 상용 SCR 촉매는 240 ℃에서 효율이 62.4% 수준에 그친다. 또 질소산화물의 97% 이상이 질소(N₂)로 전환됐으며, 온실가스인 아산화질소(N₂O) 등 부반응 부산물 생성도 거의 없었다. 촉매 수명도 개선됐다. 촉매의 고성능 원인은 상용 촉매에 소량 첨가한 육방정형 질화붕소(h-BN) 덕분이다. 육방정형 질화붕소(h-BN)는 촉매에 포함된 바나듐 금속 이온을 활성 상태로 유지시키고, 촉매 표면에 황산염이나 수분과 같은 이물질이 들러붙지 않게 보호하는 역할을 한다. 이물질이 표면에 달라붙으면 촉매 수명이 줄어든다. 연구팀은 가루 촉매를 실제 산업 현장에서 쓰는 덩어리 형태로 뭉쳐 상용화를 위한 성능도 검증했다. 촉매는 가루 상태일 때 반응성이 가장 뛰어나지만, 실제 공장 등에서는 분진과 압력 손실 등의 문제로 가루형 촉매를 사용할 수 없다. 벌집 구조(monolith)로 뭉쳐진 이 촉매는 빠르게 가스가 흐르는 20 L/min 조건에서 초당 수십 마이크로그램의 NO를 안정적으로 처리하는 성능을 보였다. 조승호 교수는 “이 촉매는 작동 온도 범위가 넓어, 공장·자동차·선박 등 다양한 배출원에서 나오는 대기오염물질인 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있다”며, “촉매의 독성을 유발하고 값이 비싼 바나듐 함량도 줄여 산업 환경의 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 환경공학 분야에서 가장 영향력 지수 (IF: 21.1)가 높은 국제 학술지인 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’에 6월 12일 온라인 공개됐다. 이명진 졸업생이 제1 저자로 참여하였다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원 및 한국생산기술연구원의 지원을 받아 이뤄졌다. (끝) (논문명: Hexagonal boron nitride heterostructure to control the oxidation states and SO₂ resistance of the V₂O₅–WO₃/TiO₂ catalyst for the NH₃–SCR reaction across a wide temperature range) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1.연구배경 질소산화물(NOₓ)은 대기 중에 배출되어 산성비, 광화학 스모그, 미세먼지 생성을 포함한 여러 환경 문제를 유발한다. 전 세계적으로 NOₓ 배출량은 연간 약 1억 톤에 달하며, 화력발전소, 소각로, 제철소와 같은 고정형 오염원에서 연료 연소 공정으로 인한 NOₓ 배출은 엄격히 규제되고 있다. 이에 따라 산업 현장에서는 배출되는 가스상 오염물질을 줄이기 위해 촉매 반응을 활용한 후처리 공정을 적극 도입하고 있다. NOₓ는 환원 반응을 통해 무해한 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 전환될 수 있으며, 이를 위해 암모니아(NH₃) 환원제를 주입하는 선택적 촉매 환원(SCR) 방식이 널리 사용된다. 그러나 주입된 NH₃가 반응하지 못하고 배출되는 경우(NH₃ 슬립), 이 암모니아는 산화되어 온실가스인 아산화질소(N₂O)를 생성하며 2차 문제를 유발한다. 따라서 NOₓ와 NH₃를 반응성이 높고 선택적으로 질소로 전환시킬 수 있는 촉매 개발이 필수적이다. SCR 촉매는 보일러 후단에 설치돼 배출가스를 처리하지만, 배가스 유량이 크고 온도 분포가 고르지 않아 장치 내부에 온도 차이가 발생한다. 기존 촉매의 작동 온도 범위가 좁을 경우, 이로 인해 NOₓ 저감 효율이 급격히 낮아지는 문제가 발생한다. 따라서 넓은 온도 범위에서 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 촉매가 필요하다. 2.연구내용 연구팀은 상용 바나듐-텅스텐-이산화티타늄(VW/Ti)계 SCR 촉매에 육방정형 질화붕소(h-BN)를 첨가해, 넓은 온도 범위에서 질소산화물(NOx)을 저감할 수 있는 촉매를 개발했다 첨가된 h-BN은 바나듐(V)의 산화 상태가 안정적인 사가화 바나듐(V⁴⁺)으로 조절한다. 사가화 바나듐(V⁴⁺) 이온은 질소산화물(NO)로부터 산소를 떼어내며 환원 반응을 유도하고, NO는 무해한 질소(N₂)로 전환된다. 이러한 효과는 첨가한 h-BN의 양에 따라 달라졌으며, 그중에서도 촉매 전체 무게 기준으로 h-BN이 약 10% 포함된 경우(VW/Ti-BN(10))가 가장 우수한 성능을 나타냈다. 이 촉매는 240~400℃의 넓은 온도 구간에서 NO 제거 효율이 가장 높았으며, 특히 기존 상용 촉매가 240℃에서 62.4%의 효율을 보이는 데 반해, VW/Ti-BN(10)은 같은 온도에서 93.6%까지 효율이 향상됐다. 전환 효율뿐만 아니라 반응 생성물의 97.3% 이상이 질소(N₂)로 선택적으로 전환돼, 온실가스인 아산화질소(N₂O)나 암모니아(NH₃) 슬립 등 부반응에 의한 2차 오염 가능성도 낮았다. 또한, 연구팀은 분말 촉매의 성능을 실험실 규모(500 mL/min)의 유속 조건에서 확인하는 데 그치지 않고, 상용화를 고려해 실제 산업 현장에서 사용하는 벌집형(monolith) 구조로 성형한 후 세미벤치 규모(20 L/min) 조건에서 성능을 검증했다. h-BN 도입 효과는 성형 촉매에서도 뚜렷하게 나타났으며, 240℃와 400℃에서 각각 90.0%, 97.8%의 NO 전환 효율을 기록했다. 동시에 SO₂(300 ppm)와 수분(H₂O 10%)이 포함된 피독(이물질이 촉매 표면에 붙어 촉매 활성이 죽는 현상) 조건에서도 촉매 성능이 안정적으로 유지됐다. 사용된 바나듐은 전체 중량의 1% 수준에 불과했지만, 처리량은 2.14×10⁻⁶ molNO/s로 높은 수준을 기록했다. 3.기대효과 이번에 개발된 촉매는 주요 대기오염물질인 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라, 반응 생성물의 대부분을 무해한 질소로 전환하는 높은 선택성을 갖춰 미세먼지와 온실가스 등 2차 오염물질의 발생을 억제하고, 산업 현장의 대기질 개선에 기여할 것으로 기대된다. 특히, 작동 온도가 넓어 다양한 산업 현장에 적용이 가능하며, 배가스 온도 변동이 큰 실제 조건에서도 안정적인 탈질 성능을 유지할 수 있다. 또한 기존 촉매 조성을 유지하면서도 h-BN을 소량 첨가하는 방식이므로, 별도의 설비 변경 없이 기존 촉매 생산 라인에서도 제조가 가능해 경제성과 상용화 가능성도 높다. 육방정형 질화붕소 기반의 이종구조 형성 기술은 향후 다양한 촉매 시스템에 응용될 수 있으며, 산화수 조절 기반의 성능 제어라는 새로운 방향성을 제시해 학문적 확장성 역시 확보할 수 있을 것으로 기대된다. |
[붙임] 용어설명 |
1.촉매 (Catalyst) 촉매(Catalyst)는 자신은 변하지 않으면서 화학반응 속도를 조절해 주는 물질로, 원하는 화합물을 빠르게 생성하면 시간과 비용, 환경오염을 줄일 수 있어 대부분의 화학제품에 사용된다. 촉매에는 반응물이 흡착되고 반응이 일어나는 활성점(active site)이 존재하는데, 질소산화물을 제거하는 SCR(선택적 촉매 환원) 촉매에서는 바나듐(V)이 이 활성점 역할을 한다. 2.선택적 촉매 환원법 (SCR, Selective Catalytic Reduction) 질소산화물을 선택적으로 환원시켜 무해한 수증기(H2O)와 질소(N2)로 분해하는 기술로 사용되는 환원제에 따라 명칭이 정해진다. 본 연구팀은 NH3를 환원제로 사용하였으므로 NH3-SCR 기술을 활용하였고, 대표 반응식은 다음과 같다. (Standard reaction: 4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O) |
[붙임] 그림설명 |
그림 1. 개발된 촉매의 구조와 육방정계 질화붕소(h-BN) 함량별 촉매의 활성 비교 바나늄 텅스텐(VW 산화물) 나노입자와 h-BN 지지체의 이종구조를 (좌) 간단한 열처리를 통해 얻고, NH3-SCR 반응에 이용하였다. 질소산화물 저감율 (NO conversion)은 h-BN의 첨가량이 중량 기준 10%일 때, 가장 우수했으며, 240℃부터 400℃까지의 넓은 온도 범위에서도 93% 이상의 고효율이 유지된다 (우). 그림 2. 분말 형태 촉매를 고온에서 뭉쳐 만든 벌집형 촉매와 성능 평가 결과 최적화된 분말촉매를 통해 제작된 형상촉매(벌집형 촉매)는 25개의 셀로 제작되었으며 (좌), SO2 및 H2O 과 같은 피독물질이 존재하는 가혹한 가스 조건에서도 240℃부터 400℃까지 90% 이상의 질소산화물 전환율과 99.8% 이상의 질소선택도가 유지된다 (우). |
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