연탄가스로 자동차 배기가스 유해물질 제거를?

일산화탄소로 고체 백금 촉매의 활성을 향상시키는 기술 개발

▲연탄가스인 일산화탄소 기체로 고체 백금 촉매의 활성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발한 최창혁 광주과학기술원 교수(왼쪽)와 김형준 한국과학기술원 교수.

[에너지경제신문 김민준 기자] 연탄가스인 일산화탄소 기체로 고체 백금 촉매의 활성을 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

최창혁 교수(광주과학기술원), 김형준 교수(한국과학기술원) 공동연구팀은 21일 ‘균일촉매’뿐 아니라 ‘불균일촉매’에서도 일산화탄소로 백금 촉매의 활성을 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다. 백금 촉매는 자동차 배기가스의 유해 물질 제거, 수소연료전지의 수소 생산 등 다양한 화학반응에서 활용된다. 백금 촉매의 공정단가를 경제적으로 낮추기 위해서는 백금 촉매 성능의 향상이 필수적이다.

독성 물질인 일산화탄소는 백금 표면에 강하게 흡착해 촉매로서의 활성을 저해한다고 알려져 있다. 그러나 흥미롭게도 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 같은 ‘균일촉매’의 경우에는 오히려 일산화탄소가 백금 촉매의 촉진제로서 작용하기도 한다. 이 같은 균일촉매에서의 화학현상을, 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 서로 다른 ‘불균일촉매’에도 접목해 백금 촉매의 성능을 끌어올리려는 노력이 계속되었지만 쉽지 않았다.

▲대부분의 백금 촉매는 일산화탄소가 존재할 경우 심각한 활성의 감소를 나타낸다. 그렇지만 황에 배위된 단일 원자 백금 촉매는 일산화탄소가 있을 때 기존의 황과의 결합이 일부 끊어지고 일산화탄소와 새로운 결합을 형성하고, 개질된 단일 원자 백금 촉매는 전기화학적 수소 생성 반응에서 기존의 단일 원자 백금 촉매보다 더 높은 활성을 보인다.

연구팀은 불균일 백금 촉매가 일산화탄소의 존재 하에서 활성화되는 현상을 규명해 학계에 보고했다. 전기화학적 수소 생산 반응에서 일산화탄소가 존재하면 백금 촉매의 활성이 2배 가까이 증진됐다. 이 현상은 단일 원자 백금이 황 원자로 둘러싸인 형태의 촉매일 때 관측된다. 분광분석법으로 관측한 결과, 일산화탄소에 의해 단일 원자 백금과 황 원자의 결합이 일부 끊어지고 일산화탄소와의 결합이 새로 생겼다. 균일촉매와 같이 불균일촉매에서 중심 금속과 리간드와의 상호작용이 발생한 것이다.

최창혁 교수는 "균일계 촉매에서 보이는 화학적 현상을 불균일계 촉매에서도 구현할 수 있는 시스템을 발견했다"라고 설명하면서 "나아가 오랜 꿈으로 여겨졌던 균일계·불균일계 촉매의 틈을 연결하고, 각 장점만을 구현한 새로운 형태의 촉매 개발을 연구할 계획"이라고 말했다.