생명화학공학과 이현주 교수와 포항공과대학교 화학공학과 한정우 교수 공동 연구팀이 저온에서도 높은 활성을 띠는 로듐 앙상블 촉매(Rh Ensemble Catalyst)를 개발했다. 이번 연구는 지난달 5일 <미국 화학 회지(Journal of the American Chemical Society)> 온라인판에 게재되었다.

불균일 반응 촉매로 사용되는 귀금속 

 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루비듐(Ru), 로듐(Rh) 등의 귀금속은 불균일 반응*을 촉진하는데 널리 이용된다. 하지만 희소성과 높은 가격으로 인해 이들을 더 효율적으로 사용하고자 하는 시도가 계속되어 왔다.

기존 한계점 보완한 앙상블 촉매 개발

 분산도(Dispersion)는 표면에 노출된 금속 원자의 비율로, 100%의 분산도를 가지면 모든 금속 원자가 표면에 노출되어 반응에 참여한다. 금속 원자들이 개별적으로 존재하는 기존의 단일 원자 촉매는 100%의 분산도를 가져 모든 원자가 반응에 참여한다는 장점이 있다. 하지만 몇몇 반응들은 하나의 금속 원자로는 촉진될 수 없는데, 이러한 경우 여러 개의 금속 원자가 모여 있는 앙상블 자리(Ensemble Site)가 필요하다. 반면, 금속 원자들이 뭉쳐있는 나노 입자 촉매는 앙상블 자리가 필요한 반응을 촉진할 수 있지만, 분산도가 낮아 금속을 효율적으로 사용하지 못하는 단점이 있다. 연구팀이 개발한 앙상블 촉매는 금속 원자들이 앙상블 자리를 이루면서도 100%의 분산도를 가져 모두 반응에 참여할 수 있게 된다.

표면 수산화기가 분산도 증가에 기여

 연구팀은 로듐/세리아(Rh/CeO2) 촉매를 합성한 후 수열 처리**를 통해 앙상블 촉매를 합성했다. 이전까지는 수열 처리를 할 시 금속 입자들이 낮은 에너지 상태로 안정화하는 과정에서 서로 뭉쳐 분산도가 감소할 것으로 생각되었지만, 실험 결과 오히려 분산도가 증가하는 현상이 나타났다. 그 원인을 규명하기 위해 밀도범 함수 이론을 이용하여 분석한 결과, 수열 처리로 생성된 촉매 표면의 수산화기(-OH)가 분산도 증가에 기여했고, 따라서 앙상블 촉매를 생성할 수 있었다는 사실을 검증했다.

자동차 배기가스 정화에 응용 가능해

 연구팀은 이러한 성과를 자동차 배기가스 여과에 적용하였다. 자동차 배기가스에는 프로펜(C3H6), 프로페인(C3H8), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 등의 기체가 포함되어 있는데, 이러한 물질들은 환경을 오염시키므로 촉매 반응을 통해 산화하여 유해하지 않은 물질로 변환된 후 배출되어야 한다.

 이 중 일산화탄소, 일산화질소는 단일 원자 촉매로도 산화시킬 수 있지만, 프로펜과 프로페인은 그렇지 못하다. 프로펜과 프로페인의 산화에는 탄소-탄소 간 결합과 탄소-수소 간 결합을 끊는 과정이 수반되는데, 이는 촉매의 앙상블 자리를 필요로 하는 반응이므로 앙상블 촉매가 단일 원자 촉매보다 월등히 뛰어난 성능을 보인다. 더구나 프로펜과 프로페인은 다른 두 기체보다 금속에 먼저 결합하는 특성을 가진다. 따라서, 위의 기체를 모두 혼합하면 단일 원자 촉매에서는 오히려 일산화탄소와 일산화질소의 산화 능력도 현저히 감소한 반면, 앙상블 촉매에서는 프로펜과 프로페인이 산화한 후 제거되기 때문에 산화 능력이 감소하는 문제가 발생하지 않았다.

 이번 연구는 단일 원자 촉매와 나노 입자 촉매의 단점을 모두 보완한 새로운 종류의 촉매를 제시하였다는 의의가 있다. 또한, 현재 사용되고 있는 디젤 산화 촉매(DOC)에 비해 우수한 성능과 내구성을 띠어 상용화 가능성도 클 것으로 기대된다.

 이번 논문의 제1 저자인 정호진 박사과정은 “이번 연구는 단일 원자 촉매와 나노 입자 촉매라는 두 가지 촉매만이 존재하던 상황에서 새로운 개념의 촉매를 제시한 것”이라며, “산업적 응용 가능성도 커서 더욱 의미 있는 연구 성과이다”라고 전했다.

불균일 반응*

기체와 액체, 기체와 고체, 액체와 고체 사이의 반응과 같이 서로 상이 다른 물질들 간의 화학 반응.

수열 처리**

물질을 고온, 고압의 수증기로 처리하는 과정.