나노기술 및 정책 정보

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  차량 엔진의 연료 연소 시 발생하는 유독성 부산물은, 촉매 변환장치를 통과하면서 화학반응을 통해 물과 이산화탄소처럼 독성이 훨씬 낮은 물질로 변환된다. 이러한 화학반응이 적절한 온도와 속도로 진행될 수 있도록 활성화 에너지를 낮춰 주는 촉매로는, 가장 희귀한 귀금속 중의 하나인 백금이 주로 사용된다. 백금은 매우 고가이기 때문에 자동차 업체들은 가능한 적은 양의 백금을 최대한 효율적으로 사용하기를 원한다.

  촉매의 비표면적 (단위 질량당 표면적), 즉 화학적 활성을 최대화하기 위해서 제조업체들은 작은 백금 입자로 세라믹 담체를 코팅한다. 그러나 변환장치가 과열되면 백금이 큰 덩어리로 응집되기 때문에 유해물질을 효과적으로 제거할 수 없게 된다. 이러한 효율성 저하를 보상하기 위해, 변환장치는 연료전지와 같은 다른 청정에너지 분야에 필수적인 희귀 금속인 백금을 더 많이 필요로 한다.

  최근 독일 화학회지 Angewantde Chemie 국제판에 게재된 논문에 따르면, 백금의 응집을 막아서 각 변환장치가 보다 적은 양의 백금을 필요로 하는 새로운 촉매 시스템 모델이 개발되었다. 이 촉매 시스템은 미국 세인트루이스의 워싱턴 대학교(Washington University) 공학 및 응용과학부 Younan Xia 교수 연구팀에 의해 개발되었다. 연구팀에는 시애틀에 위치한 워싱턴 대학교(University of Washington) 화학과 교수인 Charles T. Camvell 박사와 미국 Ann Arbor에 있는 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America사의 화학자인 Paul T. Fanson 박사등이 포함되어 있다.
  핵심기술은 백금 나노입자를 다공성 실리카 박막으로 코팅하는 것이다. 실리카 코팅은 백금과의 상호작용이 약하기 때문에, 매우 고온에서도 백금을 원래 상태로 유지할 수 있는 에너지 장벽을 제공하여, 응집현상을 방지하고 촉매의 활성을 유지한다. 이 새로운 시스템 제조의 첫 단계는, 백금 나노입자를 이산화티타늄 나노섬유에 탑재시키는 것이다. 이 섬유 기재는 일부 유해물질 제거 반응에 전자를 추가로 제공함으로써 백금 촉매를 보다 활성화시킨다. 그 다음에 백금으로 처리된 섬유를 유기 기공 형성제 (organic pore-generating agent)가 포함된 실리카로 코팅한다. 유기 기공 형성제는 다공성 표면을 생성하기 위해 350℃ 로 가열하는 과정에서 제거된다.
  “백금 촉매의 활성에 실질적인 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 얇고 충분히 다공성인 이러한 코팅 제조기술은 매우 까다롭다. 따라서 이 코팅기술은 본 기술의 중요한 성과이다.”라고 Xia 교수는 말한다. 실험결과, 코팅이 되지 않은 백금은 350℃ 정도의 낮은 온도에서 응집되기 시작하는 데 반해 실리카 코팅 백금은 훨씬 높은 온도에서도 촉매 활성을 유지했다. 중국에서 온 방문 대학원생이며 논문의 주 저자인 Yunqian Dai는, “비록 본 기술이 새로운 촉매 변환장치의 상업화로 이끌지는 미지수이나, 백금 촉매의 열안정성은 크게 향상시킬 것이다.”라고 말했다 . 

  “이 촉매는 상당한 응집현상 없이 750℃ 까지도 사용할 수 있을 것으로 보인다. 촉매 변환장치의 일반적인 온도가 약 550℃ 인 점을 고려할때 이보다 더 오래 사용이 가능하다.”고 Xia 교수가 언급했다. Xia 교수팀은, 향후 실리카 외에 산화알루미늄과 같은 다른 조성을 가진 촉매시스템을 연구할 계획이다.
  Xia 교수에 따르면, 백금은 매우 비싸서 변환장치가 때로 도난을 당하기도 하며 또한 귀금속 회수를 위해 재활용하는 것이 경제적이라고 말한다. 그러나 Xia 교수 연구팀의 목표는 훨씬 적은 양의 백금을 사용하는 것이다. 이렇게 하면 차량 가격은 더저렴해지고 보다 많은 백금이 다른 용도로도 사용될 수 있을 것이다.
 

발 표 논 문 :

 Yunqian Dai, Byungkwon Lim, Yong Yang, Claire M. Cobley, Weiyang Li, Eun Chul Cho, Benjamin Grayson, Paul T. Fanson, Charles T. Campbell, Yueming Sun and Younan Xia. “A Sinter-Resistant Catalytic System Based on Platinum
Nanoparticles Supported on TiO2 Nanofibers and Covered by Porous Silica”, Angewandte Chemie International Edition, published online 24 SEP 2010, DOI: 10.1002/anie.201001839