화학공학과 김종식 교수 연구팀이 산업현장에서 배출되는 미세먼지 주범인 질소산화물(NOx)을 인체에 무해한 질소로 전환하는 새로운 촉매를 개발했다. 사진 왼쪽부터 이석현 고려대 석박사 통합과정, 김종식 경희대 화학공학과 교수.

김종식 교수 연구팀, 질소산화물을 인체에 무해한 질소로 전환하는 신촉매 개발
내피독성 상용 촉매 대비 3~4배 높아, 550℃ 150시간 수열 조건에도 성능 지속

화학공학과 김종식 교수 연구팀이 산업현장에서 배출되는 미세먼지 주범인 질소산화물(NOx)을 인체에 무해한 질소로 전환하는 새로운 촉매를 개발했다. 연구 결과는 과학적 수월성을 인정받아 저명 학술지 <Journal of Materials Chemistry A>(IF=14.511) 6월호 표지 논문으로 게재됐다.

산업현장 미세먼지 주범인 질소산화물, 인체에 무해한 질소와 물로 분해해야
제철소, 발전소, 시멘트공장, 자동차, 선박이 내뿜는 배기가스에 포함된 질소산화물은 대기 중에서 미세먼지를 형성해 인류 건강에 악영향을 끼친다. 미세먼지 저감을 위해 학계에서는 암모니아를 환원제로 사용해 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 물로 환원하는 선택적 질소산화물 환원반응(이하 SCR) 공정을 발전시켜왔다. 이 공정은 지난 10년간 꾸준히 주목받았다.

SCR의 화두는 저온의 가혹한 배기가스 조건에서 촉매의 활성화가 쉽고, 성능이 지속되는 ‘고상촉매’를 확보해야 한다. 이를 위해선 배기가스에 포함된 수증기와 이산화황에 대한 촉매의 내성이 중요하다. 수증기는 SCR 촉매의 저온 활성화를 방해해 저온 SCR 성능을 낮추는 원인 중 하나다. 또한 수증기는 이산화황, 암모니아와 반응해 황산암모늄 및 황산수소암모늄(이하 AS·ABS)을 생성시키는데 이들은 촉매를 피독시켜 저온 SCR 활성을 감소시킨다.

수증기와 친밀도가 낮은 소수성의 SCR 촉매는 저온에서 AS·ABS의 분해를 촉진시킨다. 소수성이 구현된 촉매는 저온 SCR 활성화 및 성능 지속을 가능하게 한다. 이렇듯 배기가스에 포함된 수증기와 이산화황의 부작용들을 이해하고, 이들을 회피하는 것은 촉매의 저온 SCR 효율성 확보에 중요한 요소이다. 하지만 촉매와 수증기 사이의 친밀도 제어와 관련된 SCR 연구는 지금까지 보고예가 드물었다.

개발한 촉매의 소수성이 높음을 보여주고 있다.

니켈 바나데이트 기반 신촉매 개발, 극한 환경에서도 SCR 성능 지속
김종식 교수 연구팀은 이 점에 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 김 교수 연구팀은 니켈을 바나듐과 융합해 소수성(Hydrophobicity)이 극대화된 니켈 바나데이트 기반 신촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 상용 촉매 대비 저온 내피독성이 3~4배 높고, 550℃에서 150시간의 수열 조건에 노출돼도 저온 SCR 성능을 지속하는 획기적인 성능향상을 보였다.

산업현장에서 발생하는 미세먼지 주범인 질소산화물을 제거하는 촉매인 만큼 상용화 여부는 중요한 관심사다. 김종식 교수는 “상용화의 길로 나아가기 위해선 촉매 파우더의 대량 합성 및 대량 합성된 촉매 파우더를 촉매 성형체로 가공할 수 있어야 한다”라고 말했다. 상용화를 위해선 합성된 촉매 파우더 및 촉매 성형체의 성능이 유사해야 한다. 촉매 대량생산 및 성형제 가공에 요구되는 고비용 역시 해결해야 할 문제다. 김종식 교수는 “여러 어려움에도 불구하고 SCR 수요처를 탐색해 기술이전을 통해 상용화를 이룰 계획”이라고 밝혔다.

김종식 교수는 질소산화물 제거 촉매 외에도 폐수 정화 촉매 등 다양한 환경 촉매 연구를 진행하고 있다. 보통의 촉매 연구는 현상학적인 성능향상에 초점이 맞춰져 있다. 하지만 김종식 교수는 근원적인 촉매기작(메커니즘)의 중요성을 강조했다. 그는 “촉매 성능을 향상하는 것은 중요한 연구 목표다. 하지만 촉매 성능의 획기적 증진을 이루기 위해선 작동원리인 기작에 대한 심도 있는 이해가 바탕이 돼야 한다.”이라고 강조했다. 촉매 표면에 존재하는 활성점의 구조 및 분포를 어떻게 제어하는지에 따라 현저한 기작의 변화가 이뤄진다. 김종식 교수는 “촉매의 기작을 제어하면 성능향상은 자연스레 따라온다”며 그의 연구 비결을 공유했다.

김종식 교수는 “이번 연구로 배기가스 내 수증기로 인한 SCR 반응의 문제점과 SCR 촉매 표면의 소수성 구현의 중요성을 강조했다”며 “기존 촉매를 뛰어넘는 촉매를 개발해 산업계의 질소산화물, 미세먼지 문제 해결에 공헌하리라 기대된다”고 말했다. 연구팀은 SCR 반응을 극한 조건에서 활성화하는 신촉매 개발을 지속할 계획이다. 이번 연구는 중견연구자지원사업 및 한국과학기술연구원 미래원천연구 위탁사업의 지원을 받아 수행됐다.

김종식 교수는 “이번 연구로 기존 촉매를 뛰어넘는 촉매를 개발했다”며 “앞으로도 SCR 반응을 극한 조건에서 활성화하는 신촉매를 개발하기 위해 매진할 것”이라며 목표를 밝혔다.

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- 김종식 교수 연구자 정보
- 김종식 교수 홈페이지

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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