이현주(오른쪽) KAIST 생명화학공학과 교수와 정호진 박사과정생.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 자동차 촉매로 활용할 수 있는 고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

연구팀이 개발한 금속 앙상블 촉매는 휘발유 차량 배기가스 정화 반응인 삼원 촉매 반응에서 기존 단일원자 촉매 대비 월등한 저온 촉매 성능을 보였고 내구성 평가에서 탁월한 성능을 나타냈다.

다양한 불균일계 촉매 중 귀금속(백금, 팔라듐, 로듐) 촉매는 높은 활성으로 흔히 사용되고있지만, 희소성과 비싼 가격으로 인해 제약이 많다. 또 단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있지만 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다는 것이 단점이다.

연구팀은 100%의 분산도를 갖는 금속(백금, 팔라듐, 로듐) 앙상블 촉매를 개발해 삼원 촉매 반응에 적용했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있어 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미다.

이는 단일원자 촉매도 갖는 특징이지만 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점을 갖고 있다.

그 결과 금속 앙상블 촉매는 일산화탄소, 프로필렌, 프로판, 일산화질소를 동시에 제거하는 삼원 촉매 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없어서 삼원 촉매 성능이 저하되는 단일원자 촉매의 문제점을 해결한 것이다.

특히 연구팀이 개발한 금속 앙상블 촉매는 수열 노화, 장기 반응, 재사용 반응 등의 내구성 평가에서도 탁월한 성능을 보여 실제 휘발유 차량 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.

이현주 교수는 “이번에 개발한 금속 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매의 한계를 극복하는 새로운 금속 촉매로써 학술적으로 기여하는 바가 크다”라며 “휘발유 차량 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 연구의 가치가 매우 크다”라고 말했다.

이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 2월 17일 자 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com