친환경 내연 기관차 위한 새로운 촉매 시스템 개발

서울대 화학생물공학부 김도희 교수-서울시립대 화학공학과 유종석 교수 연구팀, 가솔린 자동차의 시동 초기 단계에서 발생하는 배기가스 문제 해결, 양자 계산을 활용한 촉매 작용 원리 규명

왼쪽부터 서울대학교 화학생물공학부 김도희 교수, 서울시립대학교 화학공학과 유종석 교수

서울대학교 공과대학 화학생물공학부 김도희 교수 연구팀과 서울시립대 화학공학과 유종석 교수 연구팀이 팔라듐(Pd)-산화세륨(CeO2) 촉매 시스템 개발에 성공했다.

이번 성과는 현대자동차와 산학 공동 연구를 통해 가솔린 자동차 시동 초기 저온 단계에서 발생하는 질소산화물 배기가스의 획기적 감소를 위한 연구다. 연구 결과는 세계적인 수준의 톱 저널을 발행하는 출판사 셀 프레스(Cell Press)에서 발행하는 국제 학술지 ‘켐 카탈리시스(Chem Catalysis)’에 8월 10일 자로 온라인 게재됐다. 논문명은 ‘Toward gasoline vehicles with zero harmful emissions by storing NO at Pd nanoparticle-CeO2 interface during the cold-start period’이다.

자동차 엔진에서는 고온에서 질소(N2)와 산소(O2)가 반응해 질소산화물(NO, NO2)이 생성된다. 질소산화물은 광화학 스모그와 산성비, 미세 먼지의 원인이 되는 대표적인 환경 오염 물질이다. 인체에 유입되면 피부 조직과 호흡기를 자극해 치명적 질환을 일으키는 것으로 알려져 한국을 포함한 전 세계 많은 국가에서 그 배출량을 규제하고 있다. 최근에는 대기 중 질소산화물이 미세 먼지 생성의 주원인으로 보고되면서 질소산화물 배출 규제는 점점 강화되고 있다.

삼원촉매(TWC·Three-Way Catalyst)는 가솔린 차량에서 배출되는 유해가스인 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 산화시키며, 질소산화물을 환원시키는 촉매이다. 한 컨버터에서 세 가지 유해 성분을 동시에 줄이므로 삼원촉매라고 불린다. 삼원촉매는 모든 배출 환경에 사용할 수 없고 공연비(air to fuel ratio, A/F)를 이론 공연비인 14.7 부근으로 맞춰야 정상 작동할 수 있다. 하지만 이론 공연비를 맞추더라도 온도가 약 300℃ 이상 돼야 정화 작용을 시작하며, 400~800℃ 범위에서 정화효율이 높다.

최근 고연비, 친환경, 비용 절감을 목표로 엔진 크기를 줄이는 다운사이징이 트렌드가 되면서 터보 차저를 장착한 가솔린 모델들이 보편화됐다. 이에 따라 배기가스 온도가 낮아지고 초기 시동 단계에서 삼원촉매가 작동 온도에 도달하는 시간이 더 길어졌다. 이런 저온 냉 시동(cold-start) 동안에는 삼원촉매가 정상적으로 작동하지 못하고 배기가스 내 질소산화물이 정화되지 못해 그대로 배출된다. 점차 강화되는 질소산화물 배출 규제를 맞추기 위해서는 이런 문제 해결이 필요하다.

유종석 교수 및 김도희 교수 연구팀은 팔라듐-산화세륨 촉매를 활용해 가솔린 엔진에서 배출된 질소산화물을 자동차의 냉 시동 구간에서 잠시 저장하는 방법을 고안했다. 팔라듐-산화세륨 계면에서의 특수한 상호작용으로 생기는 산소 공극(oxygen vacancy)이 질소산화물을 강하게 흡착하는 성질을 이용한 것이다.

김도희 교수는 “해당 기술은 가솔린 차량 배기가스를 촉매 기술만을 이용해 후처리하는 것이 아니라, 냉 시동 구간에서 엔진 조절을 함께 이용하여 효과적으로 질소산화물 배출량을 줄일 수 있는 방향을 제시하고 실제 엔진에서 이를 검증했다는데 매우 의미 있는 산학 협력 결과”라고 설명했다.

유종석 교수는 “전기 자동차의 점유율이 빠르게 증가하고는 있지만, 내연 기관차의 단종이 생각하는 것만큼 빨리 오지 않을 것이란 예측도 늘고 있다”며 “이번 연구에서 개발한 촉매 기술을 활용하면 점차 강화되는 배기가스 규제에 기존 내연 기관으로도 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 새로운 촉매 시스템을 실험적으로 구현한 것에 머무르지 않고 양자 계산을 활용해 촉매 시스템의 작용 원리를 근본적으로 규명한 것에 큰 의의가 있다. 앞으로도 양자 계산과 같은 계산과학 기법을 활용하면 새로운 촉매 소재를 합리적으로 개발할 수 있을 것으로 예견되고 있다. ANN

홍유석 서울대학교 공과대학장

김도희 서울대학교 화학생물공학부 교수, 유종석 서울시립대학교 화학공학과 교수

자료_ 서울대학교 공과대학, 서울시립대학교