가혹한 온도 변화에도 ‘살아 남는’ 촉매 개발
한정우 포스텍 교수팀 개가
2020-12-22 이예진기자
자동차를 비롯한 산업에서 환경 보존 및 생성물의 수율을 높이기 위해 촉매의 사용은 필수적이다.
특히 자동차 정화장치의 경우에는 빈번하게 고온과 저온에 반복적으로 노출되는데, 때문에 온도변화에 안정성을 보이는 것이 중요하다.
고활성과 고안정성을 동시에 만족하는 촉매 물질을 설계하는 것에 대한 수요가 점점 높아지고 있는 가운데 포스텍 연구팀이 이러한 신개념의 촉매를 개발해 기대를 모으고 있다.
한정우<사진> 화학공학과 교수 연구팀은 희토류 금속과 전이 금속을 동시에 도핑해 활성도가 높은 초고안정성 세륨산화물 촉매를 설계하는데 성공했다.
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 세륨산화물보다 150℃ 낮은 온도에서 일산화탄소 전환율을 달성했다.
게다가 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 소결현상을 억제하고, 전이 금속 도핑은 표면 결함의 형성을 촉진해 활성을 증가시키기 때문이라고 설명했다.
한정우 교수는 “이번 연구는 이론팀과 실험팀이 상호 보완적이고 체계적인 연구 시스템 아래에서 이론적 가설을 검증한 모범적인 연구 사례다”며 “이 같은 촉매 설계 방법은 앞으로 광범위한 촉매 반응에 대한 초고안정성·고활성 산화물 재료 설계를 가능하게 할 것이다”고 말했다.