고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매
고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.06 18:25
  • 조회수 534
  • 댓글 0
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요약

 

고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매 개발됐습니다. 연구진은 100%의 분산도를 갖는 금속(백금, 팔라듐, 로듐) 앙상블 촉매를 개발해 삼원 촉매 반응에 적용했습니다. 이는 기존의 단일 원자 촉매의 한계를 극복한 새로운 촉매로써 학술적으로 기여하는 바가 큽니다.

고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매. 출처: AdobeStock
고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매. 출처: AdobeStock

KAIST 생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 자동차 촉매로 활용할 수 있는 고성능의 완전 분산 금속 앙상블 촉매를 개발했습니다. 연구팀의 금속 앙상블 촉매는 휘발유 차량 배기가스 정화 반응인 삼원 촉매 반응에서(three-way catalysis, TWC) 기존의 단일원자 촉매, 상용 삼원 촉매 대비 월등한 저온 촉매 성능을 보였습니다. 또한 노화 및 장기 반응 등의 내구성 평가에서 탁월한 성능도 확인했습니다. 연구팀의 금속 앙상블 촉매는 불균일계 촉매 분야에서 기존의 단일원자 촉매를 뛰어넘어 그 가치가 높을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Nature Catalysis>에 게재됐습니다.

  • 앙상블 촉매 (ensemble catalysts, ESCs)

모든 금속 원자가 표면에 드러나 있는 100% 분산도를 갖기 때문에 모든 원자가 반응에 참여할 수 있고 또한 두 개 이상의 금속 원자가 서로 붙어서 존재하므로 다양한 반응에 사용할 수 있는 촉매입니다.

  • 단일원자 촉매 (single atom catalysts, SACs)

모든 금속 원자가 표면에 드러나 있는 100% 분산도를 갖기 때문에 모든 원자가 반응에 참여할 수 있으며 모든 금속 원자가 서로 떨어져서 독립적으로 존재하는 촉매입니다.

촉매, 어떤게 좋을까?

 

다양한 불균일계 촉매 중 귀금속(백금, 팔라듐, 로듐) 촉매는 높은 활성을 보여 널리 사용되지만 귀금속의 희소성과 비싼 가격으로 인해 제약이 많습니다. 이에 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요한 과제로 남아있습니다. 단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있어 널리 사용되지만 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못합니다. 

 

한편 일산화탄소(CO), 프로필렌(C3H6), 프로판(C3H8), 일산화질소(NO)는 대표적인 휘발유 차량 배기가스 오염물질로 반드시 삼원 촉매 반응을 통해 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2)로 전환한 뒤 배출돼야 합니다. 이때 탄화수소(프로필렌, 프로판) 산화 반응은 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야만 반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해서는 금속 앙상블 자리를 확보하는 것이 필수입니다. 

 

앙상블 촉매 만들어 문제 해결

 

연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 금속(백금, 팔라듐, 로듐) 앙상블 촉매를 개발해 삼원 촉매 반응에 적용했습니다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있어 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미입니다.

HAADF-STEM 분석법을 통해 관찰한 백금 앙상블 촉매, 팔라듐 앙상블 촉매, 로듐 앙상블 촉매 구조 사진. 출처: KAIST
HAADF-STEM 분석법을 통해 관찰한 백금 앙상블 촉매, 팔라듐 앙상블 촉매, 로듐 앙상블 촉매 구조 사진. 출처: KAIST

이는 단일원자 촉매도 갖는 특징이지만 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점을 갖고 있습니다. 그 결과 금속 앙상블 촉매는 일산화탄소, 프로필렌, 프로판, 일산화질소를 동시에 제거하는 삼원 촉매 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 보였습니다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없어서 삼원 촉매 성능이 저하되는 단일원자 촉매의 문제점을 해결한 겁니다.

금속 앙상블 촉매 (ESC), 단일원자 촉매 (SAC), 상용 삼원 촉매 (TWC)의 자동차 촉매 반응 성능 비교도. 출처: KAIST
금속 앙상블 촉매 (ESC), 단일원자 촉매 (SAC), 상용 삼원 촉매 (TWC)의 자동차 촉매 반응 성능 비교도. 출처: KAIST

특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 금속 앙상블 촉매는 수열 노화, 장기 반응, 재사용 반응 등의 내구성 평가에서도 탁월한 성능을 보여 실제 휘발유 차량 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대됩니다.

정호진 박사과정 학생과 이현주 교수. 출처:KAIST
정호진 박사 과정과 이현주 교수. 출처: KAIST

이현주 교수는 "이번에 개발한 금속 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매의 한계를 극복하는 새로운 금속 촉매로써 학술적으로 기여하는 바가 크다"라며 "휘발유 차량 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 연구의 가치가 매우 크다"라고 말했습니다.
 


##참고자료##

 


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