경희대학교(총장 김진상) 화학공학과 김종식 교수 연구팀이 산업현장에서 발생하는 대기 오염을 획기적으로 줄이는 촉매를 개발했다. 새로운 촉매는 세계적 학술지인 <ACS Catalysis>(IF=12.9) 3월호 표지논문으로 선정되며 연구의 우수성을 인정받았다.

발전소, 선박, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 발생하는 질소산화물(NOx)은 대기 중 미세먼지로 변환되는데, 대기 오염의 주범으로 지목된다. 선택적 질소산화물 환원반응(이하 SCR) 공정은 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 물로 전환해 대기 오염을 줄인다. 하지만 최근 에너지 비용 절감과 탄소중립 수요 증가에 대응하기 위해 더 가혹한 조건에서도 효율적으로 구동될 수 있는 진일보한 SCR 기술이 요구되고 있다. 김종식 교수 연구팀은 이번 연구에서 SCR 공정을 촉매표면 미세개질 및 기작제어로 개선하는 방안을 모색했다. 

강화된 조건에서 SCR 공정을 효율적으로 구동하기 위해선 질소산화물과의 충돌이 우호적인 촉매가 필수적이나, 지금껏 이를 쉽게 구현하는 촉매는 드물었다. 김종식 교수 연구팀은 기존 바나데이트 촉매에서 구동 가능한 SCR 기작을 모두 활성화해, 단위 시간당 SCR 공정의 가속화를 드높이는 란타늄 바나데이트(LaV3O9) 기반 신촉매를 개발했다. 김종식 교수는 “새로 개발한 촉매 표면은 높은 질소산화물 친밀도 및 고농도의 활성산소 특성이 구현돼 다양한 SCR 기작을 고속으로 활성화 시킨다”고 설명했다.

이번 연구로 개발된 촉매는 기존 상용촉매와 비교해 최소 2배 이상 개선된 탈질 및 내구 성능을 보였다. 또한 김종식 교수 연구팀은 신촉매 표면의 소수성을 드높여, SCR 공정 도중 발생하는 피독물 분해에 요구되는 에너지 장벽을 획기적으로 감소시켰다. 김종식 교수는 “지금껏 개발한 SCR 촉매들을 능가하는 가혹한 조건에서 구동 가능한 SCR 신촉매 개발의 밑바탕을 다졌다”고 연구 의의를 평가했다.

개발한 촉매의 상용화 가능성도 높다. 새로 개발된 촉매는 기존 상용화된 촉매 대비 가격이 저렴하다. 또한 신촉매는 랩스케일 합성을 넘어선 대량 합성에 우호적이므로, 사회적 문제로 떠오른 미세먼지 저감에 적극적으로 활용될 것으로 전망된다. 이번 연구는 한국연구재단, 한국과학기술연구원 및 4단계 BK21의 지원을 받아 진행됐다.

- 논문 보기 : https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.3c04828 

방완재 다른기사 보기