디젤자동차 배기가스 정화용 촉매 특성

18세기 영국에서 시작된 산업혁명 이후, 산업과 문명의 급속한 발달로 인해 화석연료의 사용량이 증가하였으며 이에 따라 대기오염과 지구 온난화가 전 세계적으로 중요한 관심사가 되고 있다. 20세기 초부터 급속하게 보급된 자동차는 인간의 삶을 편리하게 만들었지만, 화석 연료의 연소를 통해 생성되어 자동차로부터 배출되는 배기가스는 대기오염의 주범이 되고 있으며 심지어 인간의 건강에도 나쁜 영향을 미치고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 자동차 배기가스에 대한 규제가 강화되고 있으며 우리나라에서는 1987년 가솔린 자동차를 대상으로 삼원 촉매 장치의 부착을 의무화하는 등 선진국 수준의 자동차 배출가스 정화기술을 갖추게 되었지만 디젤 자동차에 대해서는 아직 배출가스 정화기술을 개발하기 위해 대책이 요구되고 있다. 특히, 자동차로부터 배출돼 는 배기가스는 산업, 난방, 발전시설 등의 다양한 다른 오염원과 비교하 면 전체 대기오염원의 약 50 % 이상을 차지할 정도로 높은 비율을 가 지고 있으며 따라서 배기가스를 정화하는 것은 매우 중요한 과제이다. 또한 자동차는 다른 오염원들과는 다르게 개개의 자동차가 모두 배 기가스를 배출하는 오염원으로 작용하므로 인간의 생활 및 건강에 밀접한 영향을 주고 있기 때문에 다른 오염원보다 직접적으로 큰 피해를 주고 있다.

 

자동차로부터 배출되는 대표적인 오염물질로 일산화탄소(Carbon monoxide, CO), 탄화수소(Hydrocarbon, HC), 질소산화물(Nitric oxides, NOx) 그리고 입자상 물질(Particulate matter, PM) 등을 들 수 있다. 특히, 자동차로부터 배출되는 질소산화물과 휘발성 유기화합물은 이차적으로 광화학 반응을 통하여 오존(O3)을 생성시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 자동차로부터 배출되는 배기가스가 많은 지역에서는 인 체에 직접적으로 유해한 영향을 미치고, 자동차 오염물질에 기인한 산성 비 및 광화학 반응물들로 인해 생태계에 막대한 피해를 주고 있다. 또한 자동차의 엔진 연소 시 발생되는 이산화탄소는 지구온난화 및 지구의 사막화 등과 같이 지구의 환경에까지 유해한 영향을 미치고 있다. 자동차로부터 배출되는 배기가스에서 발생되는 대표적인 오염물질 들과 이들이 인체에 미치는 영향에 대하여 정리하였다. 따라서 자동차로부터 배출되는 배기가스에 대한 규제는 미국, 유럽, 일본, 한국 등 전 세계적으로 강화되고 있는 실정이다.

 

현재까지 디젤 자동차로부터 배출되는 배기가스를 줄이기 위한 장치로 매연여과장치(Diesel Particulate Filter, DPF)와 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)가 가장 효율적인 것으로 알려져 있다. DPF 란, 디젤 자동차로부터 배출되는 매연 및 입자상 물질을 필터에서 포집한 후 필터에 포집된 입자상 물질들을 주기적으로 또는 연속적인 연소 공정 을 통해 입자상 물질들을 제거하는 장치이다. 또한 DOC는 일산화탄소, 질소산화물, THC(Total Hydrocarbon) 같은 유해한 가스들을 이산화탄 소(CO2), 물(H2O)이나 질소(N2)와 같은 무해한 가스들로 전환시키는 장치이다. 이러한 배기가스 저감장치는 크게 담체(substrate)와 담체 위 의 중간층(washcoat), 그리고 중간층 위에 도포된 촉매의 얇은 층으로 구성되어 있다. 자동차로부터 배출되는 배기가스의 대표적인 유해 물질들인 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물 등을 정화하기 위해서 가솔 린 자동차의 배기가스 촉매변환기에서는 귀금속 활성 종인 백금(Pt), 로듐 (Rh) 및 팔라듐(Pd)을 포함하는 삼원 촉매를 제조하여 사용하고 있다. 이와 같은 활성 촉매물질들을 사용한 삼원 촉매는 배기가스 처리에 높은 성능을 나타내기 때문에 엄격한 환경규제에 효과적으로 대응할 수 있다. 하지만 대표적인 활성 종인 백금은 고온에서 Ostwald ripening mechanism으로 인해 촉매 표면에서 소결(Sintering)에 의한 응집으로 촉매 활성이 저하된다고 알려져 있다. 따라서 자동차로부터 배 출되는 고온의 배기가스에서 촉매 활성을 유지하기 위하여 백금 응집 및 소결로 인해 입자들이 조대화되는 것을 억제할 필요가 있다.

 

 

하이브리드 백금 나노촉매용 지지체 분말 제조

• 유기물을 첨가한 분무 용액을 제조하여 분무 열분해 공정으로 합성되는 입자는 반응기 안에서 유기물의 분해로 인해 발생하는 다량의 가스로부터 속이 빈 중공체의 구조를 가졌다. 순수한 FeAl2 O 4 분말은 공기분 위기에서 500℃ 후 열처리, 5% H2/Ar 분위기에서 600℃ 후 열처리를 통해 합성되었다. FeAl2 O 4 분말 100g, Ball 100g, 증류수 50mL, 500 RPM으로 60분 동안 습식분쇄 공정으로 나노 크기의 FeAl2 O 4 분말을 얻었다.

 

분무 열분해 공정을 이용한 하이브리드 백금 나노 촉매의 제 조 및 특성

• 분무 열분해 공정을 이용하여 SiO2 표면에 Pt 입자를 균일하게 분 산시 켜 Pt/SiO2 하이브리드 촉매를 합성하였으며, 분무 용액을 연속적으로 공급하여 Pt/SiO2 하이브리드 촉매를 대량으로 합성하였다. Pt 함량 이 4, 7, 14wt.% 의 Pt/SiO2 하이브리드 촉매를 제조하였으며 이때 Pt 입자의 평균 크기는 각각 10.11nm, 12.26nm, 18.91nm임을 확인하였 다. 제조된 Pt/SiO2 하이브리드 촉매 분말을 이용하여 대기 분위기에서 600℃의 온도로 30분 동안 열처리하여 고착화하고 750℃에서 24시간 동안 열처리하여 열화 된 시표에 대하여 Pt 입자 거동을 비교한 결과 입자 들의 응집 및 소결로 인한 조대 화가 관찰되었다.
• 분무 열분해법으로 합성된 Pt/SiO2 하이브리드 나노 촉매들에 대한 화학적 특성 분석을 일산화탄소 산화 반응을 통하여 촉매 활성을 비교하였다. 그 결과, 백금의 함량이 높은 촉매일수록 활성도가 높음을 알 수 있었으며, 열처리 시간이 길어질수록 촉매의 활성이 저하됨을 알 수 있었다. 이때 4wt.% 의 Pt 함량을 갖는 경우에 최적임을 확인하였다.
• 분무 열분해 공정을 이용하여 다양한 하이브리드 백금 촉매를 제조할 수 있었으며, Pt 입자 크기가 6.14nm인 Pt/ceramic 하이브리드 촉 매 합성하였으며, 특히 Pt/FeAl2 O 4 하이브리드 촉매의 경우 CO ΔT50 이 약 9℃ 이하로 우수한 촉매 활성을 가짐을 확인할 수 있었다.

지금까지 디젤 자동차 배기가스 촉매의 특성에 대해서 알아보았습니다. 도움이 되셨으면 좋겠습니다.