공장, 자동차, 선박 등 연료를 태우는 곳이면 어디서든 나오는 대기오염물질 '질소산화물'(NO)을 제거할 수 있는 새 촉매를 국내 연구진이 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수와 한국생산기술연구원 김홍대 박사 연구팀은 240~400℃에서 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있는 탈질 촉매를 개발했다고 17일 밝혔다.
대기로 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 온도변화가 심한 실제 현장에서는 성능이 급격히 떨어지는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 상용 SCR 촉매에 소량의 육방정형 질화붕소(h-BN)를 첨가했다. 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.
그 결과, 상용 SCR 촉매는 240℃에서 효율이 62.4% 수준에 그치는 반면 연구팀이 개발한 촉매는 240℃에서 질소산화물 제거효율이 93.6%에 달하고, 고온 영역에서도 97% 이상의 전환 효율을 안정적으로 유지했다. 또 질소산화물의 97% 이상이 질소(N₂)로 전환됐으며, 온실가스인 아산화질소(N₂O) 등 부반응 부산물 생성도 거의 없었다. 촉매 수명도 개선됐다.
연구팀은 가루 촉매를 실제 산업현장에서 쓰는 덩어리 형태로 뭉쳐 상용화를 위한 성능도 검증했다. 촉매는 가루 상태일 때 반응성이 가장 뛰어나지만, 실제 공장 등에서는 분진과 압력 손실 등의 문제로 가루형으로 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.
과학기술정보통신부와 산업통상자원부 등 정부의 지원을 받아 진행된 이번 연구결과는 환경공학 분야에서 영향력이 높은 국제학술지인 '응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)'에 6월 12일자 온라인에 공개됐다.
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