성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 한국생산기술연구원 김홍대 박사, UNIST 박혜성 교수 연구팀과 함께 저온 구간(180oC~220oC)에서 높은 활성을 가지는 질소산화물(NOx) 제거 촉매를 개발했다.

선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)은 미세먼지 원인물질인 NOx의 제거를 위해 암모니아를 환원제로 이용하여 무해한 N2 및 H2O로 전환하는 기술로서 현재 산업공정에서 널리 쓰이고 있다. 하지만 일반적으로 널리 사용되는 VO2/TiO2계 촉매는 250℃ 이상의 고온에서 우수한 특성을 보이는데, 이는 높은 유지 비용 뿐만 아니라 입자의 응집현상으로 인해 촉매 비활성의 원인이 된다. 이에 200℃ 정도의 저온에서 높은 활성을 갖는 촉매 개발이 중요한데, 이 경우 SO2 및 수분에 의한 활성저하의 문제점이 있다.

이러한 한계를 돌파하고자, 백정민 교수 연구팀은 3~5nm 크기의 Cu-Ce 산화물 구조를 가지는 나노 이종복합체를 제조하고, 이를 VO2/WO3/TiO2 촉매에 효과적으로 분산시키는 기술을 개발하여, 저온에서 기존 상용촉매보다 약 44% 향상된 NOx 제거 효율을 달성했다.

또한 SO2 분위기 하에서 K-factor (K16h/K0) 값도 0.60에서 0.83으로 크게 향상시켰으며, 수분이 존재하는 경우에도 활성이 저하되지 않는 등 SO2와 수분에 의한 피독저항성 크게 향상 시켰다.

백정민 교수는 “본 연구는 곧 산업현장에서 실증 실험을 통해 그 적용 가능성을 점검할 예정이며, 추가 연구를 통해 200℃ 이하에서도 장시간 높은 활성을 지니는 촉매를 개발할 예정이다”고 밝혔다.

백정민 교수 연구팀은 이미 관련 특허 2건을 출원한 상태이며, 기술 성공 시 공장, 제철소 등 산업 현장에 배출되는 NOx 배출 저감 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 

이번 연구는 2019년 4월 산업통상자원부 과제 (Wide Temperature Window NOx 제거 촉매 개발)로 선정돼 지원을 받았으며, 국제적 학술지 Chemical Engineering Journal에 2월 온라인 게재되었다.
(논문명 : Cu- and Ce- promoted nano-heterostructures on vanadate catalysts for low-temperature NH3-SCR activity with improved SO2 and water resistance
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135427)

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