연구성과

화공 한정우 교수팀, 자동차 배기가스 제거하는 촉매, 계산화학 통해 찾다

2019-04-28 370

[저온에서 효과적으로 대기오염 물질 제거 촉매 개발 성공]

한정우교수김형준씨

최근 미세먼지로 인한 대기오염이 사회 문제로 대두되고 있다. 대기오염 농도를 감소하기 위해 여러 대책이 나오고 있는데 자동차 배기가스 규제가 대표적이다. 자동차 배기가스는 대기오염의 주범으로 직접 심각한 오염을 일으키기도 하지만, 미세먼지와 같은 2차 대기오염을 유발하기도 한다. 하지만 저온에서 배기가스를 줄일 수 있는 고효율의 촉매를 개발하는 일은 시간과 비용 측면에서 어려움이 많았다.

화학공학과 한정우 교수·박사과정 김형준 씨 팀은 저온에서 배기가스를 줄일 수 있는 고효율 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이론팀과 실험팀을 동시에 운영해 설계부터 제작, 검증까지 한 이 연구는 촉매 과학 분야 세계적 권위지인 켐캣켐(ChemCatChem) 표지 및 VIP 논문으로 선정돼 게재됐다.

그동안 국내에서는 계산화학과 실험연구가 한 연구실에서 체계적으로 진행된 경우를 찾아보기 힘들었다. 보통은 각각의 연구실에서 이론연구와 실험연구를 따로 진행하고 융합 연구를 통해 공동 연구를 하는 방식이 대부분이었다. POSTECH 한 교수 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로 이론 화학의 문제를 다루는 계산화학을 통해, 도펀트(dopant) 조합을 합리적으로 도출해 냈고, 같은 연구실의 실험 연구진에게 이를 바로 제시해 고효율 촉매를 설계하기 위한 시간과 비용을 획기적으로 감소시켰다.

연구팀은 자동차 배기가스 중 일산화탄소를 산화하기 위해 고활성 세륨 산화물(CeO2) 기반 촉매를 제시했다. 이 촉매는 세륨 산화물에 두 가지 전이 금속을 이중 도핑하는 방법을 통해 체계적으로 설계했다. 먼저 계산화학적 기법을 사용해, 구리(Cu)와 구리·은(Cu·Ag)이 각각 단일 및 이중 도핑 조합 중에서 가장 우수한 후보인 것을 확인했다. 이것을 세륨 산화물 격자에 도핑되도록 나노 입자를 합성한 후, 순수한 세륨 산화물과 다른 전이 금속에 도핑된 세륨 산화물보다 더 높은 촉매 활성이 나타나는 것을 실험적으로 증명했다.

한정우 교수는 “자동차 배기가스를 줄이기 위한 촉매를 이론과 실험적 방법을 통해 체계적으로 설계할 수 있었고, 이런 방법을 더욱 발전시키면 비싼 귀금속 촉매 대신 저렴한 금속을 이용한 고효율 촉매의 상용화를 앞당길 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이 연구는 한국연구재단 초저에너지 자동차 초저배출 사업단, 한국연구재단 중견연구사업의 지원으로 수행됐다.