우연한 발견으로 더 효율적인 촉매가 탄생할 수 있다

뜨겁고 증기가 많은 자동차 배기가스를 촉매로 보내는 방식으로 촉매를 제조하면 효율성을 높이고 차량 촉매 변환기와 기타 여러 배출 제어 및 산업 공정에 필요한 희귀하고 값비싼 금속의 양을 줄일 수 있습니다.

국제 연구팀은 네이처( Nature) 지에 질소산화물과 일산화탄소를 함유한 뜨거운 자동차 배기가스가 이전에는 알려지지 않았던 반응을 유발한다는 연구 결과를 발표했습니다. 이 반응을 미리 활용하면 촉매 활성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 촉매는 화학 반응 속도를 증가시키는 물질입니다.

연구진은 고온 배기가 촉매 물질의 구성 요소 중 하나인 세리아 입자가 2차원 나노 크기의 클러스터를 형성하도록 촉진한다는 것을 발견했습니다. 표면을 촘촘하게 덮고 있는 이 클러스터는 화학 반응이 일어날 수 있는 많은 지점을 만들어 공정 효율을 높입니다. 또한, 이 방법은 세륨 원자와 결합된 느슨하게 결합된 산소 이온을 대량으로 생성하는데, 이 이온들은 쉽게 이동하여 산소를 첨가하거나 제거해야 하는 여러 일반적인 촉매 반응을 더욱 개선할 수 있습니다.

"이들은 산소 스펀지처럼 작용하며, 산소가 쉽게 활성화되면 탄화수소와 일산화탄소의 산화처럼 산소가 필요한 여러 반응에 매우 유용합니다."라고 워싱턴 주립대학교 Gene and Linda Voiland 화학공학 및 생체공학과의 교수이자 이 연구의 교신저자 중 한 명인 용 왕(Yong Wang)은 말했습니다. "이를 통해 다양한 반응에 적합한 촉매를 더욱 효과적으로 설계할 수 있습니다."

우연히 발견된 이 새로운 처리 방법은 촉매 활성을 약 10배 정도 향상시키는 것으로 나타났습니다.

"운이 한몫했죠. 때로는 우연히 위대한 과학적 발견을 하기도 합니다. 하지만 동시에 이건 실질적인 관심사이기도 하죠."라고 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)에서 공동 연구원으로도 활동 중인 왕 박사는 말했습니다.

연구자들은 촉매 변환기와 기타 배출가스 제어 기술을 지속적으로 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 자동차나 발전소의 배기가스에서 오염물질을 제거하는 이러한 기술은 수명이 다할 때까지 그 효과가 감소합니다. 제조업체는 촉매의 성능 저하를 보완하고 필요한 배출 기준을 충족하기 위해 로듐, 백금, 팔라듐과 같은 희귀하고 값비싼 금속을 변환기에 추가로 첨가해야 합니다.

수년 동안 업계를 혼란스럽게 했던 한 가지 미스터리는 촉매 변환기에 사용되는 나노 크기의 금속 재료가 "소결"되거나 더 큰 입자로 뭉쳐져 매우 뜨겁고 가혹한 배기 증기 조건에 노출되면 시간이 지남에 따라 효과가 없어지는 반면, 촉매 변환기는 예상보다 여전히 더 잘 견딘다는 것입니다.

"세리아 입자 크기 증가를 살펴보면 활성도가 최소 100배 감소할 것으로 예상되지만, 실제로는 그렇지 않습니다."라고 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL)의 연구원 겸 화학 엔지니어이자 교신 저자인 콘스탄틴 키반체프는 말했습니다. "발견되거나 인지되지는 않았지만, 분산 및 촉매 활성 향상에 기여하는 과정이 있습니다."

WSU, PNNL, 뉴멕시코 대학교, 불가리아 소피아 대학교, 퍼듀 대학교를 포함한 연구진은 촉매를 인공적으로 노화시켜 연구하기로 했습니다. 하지만 노화 시험의 일반적인 구성 요소인 물만 사용하는 대신, 촉매 위에 매우 뜨거운 자동차 배기가스를 몇 시간 동안 흐르게 했습니다. 그 결과, 촉매의 성능이 저하되는 대신 향상되는 것을 관찰했습니다.

"촉매가 비활성화될 거라고 직감적으로 예측했는데 결과는 정반대였기 때문에 연구의 재미 중 하나였습니다." 뉴멕시코 대학교 명예 명예 교수이자 교신 저자인 아바야 다티에가 말했다. "그런 다음 이것이 진짜인지 스스로에게 질문하고 실험을 여러 번 반복했습니다. 다음 단계는 과학적 근거를 찾는 것이었습니다."

그들은 촉매 변환기가 예상만큼 빨리 분해되지 않는다는 것을 발견했습니다. 현장 연구원들은 몰랐지만, 뜨거운 자동차 배기가스가 특히 고온일 때 짧은 순간적으로 반응을 촉진했기 때문입니다. 실질적인 효과 측면에서, 연구원들은 이제 이 처리 공정을 의도적으로 활용하고자 합니다. 즉, 촉매를 미리 활성화하고 촉매 수명 초기에 의도적으로 반응 상태를 형성하고자 합니다.

새로운 처리 기술을 사용하면 촉매에 필요한 로듐과 같은 귀금속의 양을 줄여 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 자동차 촉매 변환기에는 보통 약 800달러 상당의 로듐이 함유되어 있습니다.

PNNL의 교신저자이자 연구원인 야노스 샤니(János Szanyi)는 "소모된 촉매에서는 세리아 나노입자 분산 과정에서 형성된 원자적으로 얇은 세리아 조각이 로듐이나 백금과 같은 귀금속과 접촉합니다."라고 말했습니다. "이를 통해 촉매는 자동차 배기 가스의 혹독한 온도 조건에서도 견딜 수 있으며 활성을 유지할 수 있습니다."

연구진은 실험실 규모로 촉매 처리 기술을 시험해 왔습니다. 또한 업계 파트너들과 협력하여 실제 차량에서 실제 작동 조건에서 촉매 처리를 시험하고 있습니다. 이 연구는 미국 에너지부 과학국(Office of Science)의 기초 에너지 과학, 촉매 과학 프로그램의 지원을 받은 기초 과학에 기반을 두고 있습니다. PNNL의 연구는 미국 에너지부 에너지 효율 및 재생에너지 차량 기술국의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250409114526.htm