연구성과

화공 한정우 교수팀, ‘가혹한 온도 변화에도 살아남는’ 안정한 고활성 촉매 나왔다

2020-12-22 395

[고안정성·고활성 CO산화용 세륨산화물 촉매 설계]

자동차를 비롯한 다양한 산업에서 환경 보존 및 생성물의 수율을 높이기 위해서 촉매의 사용은 필수적이다. 특히, 자동차 정화장치의 경우에는 빈번하게 고온과 저온에 반복적으로 노출된다. 따라서, 촉매 물질이 초기에는 높은 활성을 갖더라도 이러한 온도변화에 대해 낮은 안정성을 보인다면 산업적으로 사용하는 것이 어려워진다. 그러므로, 현재 산업에서 높은 활성과 이를 안정적으로 유지할 수 있는 촉매 물질을 설계하는 것에 대한 수요는 점점 높아지고 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 고활성과 고안정성을 동시에 만족하는 신개념의 촉매를 개발해 기대를 모으고 있다.

화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김형준씨, 박사과정 신동재씨, KAIST 이현주 교수팀이 희토류 금속(La)과 전이 금속(Cu)을 동시에 도핑해 활성도가 높은 초고안정성 세륨산화물 촉매를 설계하는 데 성공했다. 이번 연구성과는 촉매 부문 권위지인 ‘미국화학회 촉매지(ACS Catalysis)’ 표지논문으로 게재됐다.

고활성을 갖는 촉매의 개발은 산업과 과학기술 발전에 상당히 중요하다. 촉매 물질이 활성도가 높더라도 안정성이 낮다면 산업 공정 과정 중 촉매의 교체 시기가 짧아져 산업용 사용이 현실적으로 어렵다. 그 때문에 높은 활성을 유지하면서 안정성이 높은 물질을 설계하는 것이야말로 에너지 문제 해결에 필수적이다.

연구팀은 계산화학과 실험연구를 상호 보완적으로 수행했다. 먼저, 계산화학적 접근을 통해, 실험으로 합성된 세륨산화물 촉매가 고활성과 고안정성을 보인다는 가설을 설정했다. 그리고 이를 검증하기 위해 희토류 금속과 전이 금속을 함께 도핑해 세륨산화물 촉매를 개발했다. 이렇게 개발된 세륨산화물 촉매는 기존의 세륨산화물 보다 150℃ 정도 낮은 온도에서 일산화탄소 전환율을 달성했다. 또한, 지금까지 보고된 어떠한 조건보다 가혹한 온도 변화 조건에서 약 700시간 동안 개선된 활성을 유지했다.

연구팀은 희토류 금속 도핑이 촉매 표면을 안정시켜 비활성화를 일으킬 수 있는 소결현상(sintering)을 억제하고, 전이 금속 도핑은 표면 결함의 형성을 촉진하여 활성을 증가시키기 때문이라고 설명했다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “이번 연구는 이론팀과 실험팀이 상호 보완적이고 체계적인 연구 시스템 아래에서 이론적 가설을 검증한 모범적인 연구사례”라며 “이 같은 촉매 설계 방법은 앞으로 광범위한 촉매 반응에 대한 초고안정성∙고활성 산화물 재료 설계를 가능하게 할 것이다”고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 초저에너지 자동차 초저배출 사업단, 한국연구재단 중견연구사업, 한국연구재단 C1가스리파이너리사업 및 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 수행됐다.