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연구

연구성과

연구성과

디젤 엔진 배기가스 저감용 백금 촉매를 대체할 산화물 촉매 개발

2012.08.22

□ 연구진

  • -공대 WCU 멀티스케일 기계설계 전공(Multiscale Mechanical Design) 조경재 교수,
    미국 실리콘 밸리의 벤처회사 Nanostellar

□ 내용 및 의의
디젤 엔진은 연료 효율이 가솔린 엔진보다 20-40% 높아 고갈되고 있는 석유 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있으나, 엔진에서 발생하는 공해 물질이 많고 독성이 강한 단점이 있다. 디젤 배기가스가 최근에 WHO에 의해서 발암 물질(group 1 carcinogen)로 위험 등급이 상향되면서, 배기가스의 효율적인 저감이 더욱 중요하게 되었다. 특히 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 낮은 연료/공기 비율을 사용해서 효율을 높이지만, 동시에 공기중 질소를 산화시킨 NOx 화합물을 배기가스로 다량 배출하면서 환경오염의 위험을 높이고 있다. 엔진 배기가스에서 NOx를 제거하기 위해서 백금 (Pt), 로듐 (Rh)과 같은 희귀한 금속 촉매를 사용해서 질소로 환원시키는 현재의 매연 저감장치는 백금의 높은 가격과 희소성으로 인해서 청정 효율을 높이는 것에 한계가 있다.

조경재 교수팀은 2003년부터 백금을 대체할 디젤 배기가스 촉매를 설계 개발해왔고, 2007년에 백금을 대체할 합금 촉매 (PdAu)를 Nanostellar에서 개발해서 2011년에 상업화한 경력이 있다. 2012년 8월 17일 Science에 게재될 논문에서는 백금을 대체할 산화물 촉매를 설계 개발한 연구 내용을 보고한다. 산화물은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 돌과 모래이어서 희귀한 금속인 백금을 사용하는 한계를 극복한 배기가스 저감이 가능하게 된다. 백금을 대체할 NO 산화 반응에 사용되는 Mn-Mullite 촉매는 알루미늄-실리케이트 (Al2O3-SiO2)의 일종인 Mullite 구조를 기반으로 하는 복합 산화물을 설계하고 실험적으로 백금보다 45% 높은 효율을 보이는 것을 증명하였다.

Science에 발표되는 연구 결과는 두 가지 중요한 의미를 갖는다.
첫째, 백금과 같이 희귀한 금속을 주변에서 흔히 볼 수 있는 산화물 (돌과 모래)로 대체하는 것이 가능하다는 것을 구체적인 연구를 통해 증명하였다. 환경오염과 신재생 에너지개발이 전 세계적으로 심각한 문제가 되는 현재, 희귀한 소재를 사용하지 않고 새로운 기술을 개발하는 것이 가능하다는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다. 백금 촉매를 사용하는 자동차용 연료전지나 코발트 산화물을 사용하는 리튬이차전지 등도 백금과 코발트의 가격과 공급이 산업화에 큰 도전이 되고 있다.
둘째, 희귀한 금속을 대체할 소재를 실험에 주로 의존하는 경험적인 방법론 (empirical method)이 아니라, 재료 설계 (material design)를 이용한 합리적인 재료 개발 방법론 (rational material development framework)을 통해서 체계적으로 복합 산화물 촉매를 개발하였다. Nanostellar에서 이미 백금 대체 PdAu 촉매를 7년 만에 개발 상업화하면서, 효용성을 증명한 방법론을 사용해서 백금 대체 산화물 촉매를 개발함으로써 환경 에너지 산업이 필요로 하는 신소재의 급속한 개발이 가능해졌다.

□ 연구진 소개
조경재 교수는 서울대의 WCU Multiscale Mechanical Design Program의 WCU Professor로 현재 서울대에서 촉매와 배터리의 multiscale design에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 2011년 여름에서 2012년 여름까지 서울대에서 연구 년을 보내면서 Science논문에 발표될 연구를 수행하였다. 조경재 교수는 국제 학술지에 150편 이상 논문을 발표하였고, 7000회 이상 논문이 인용되었다. 조경재 교수는 1986년, 1988년에 서울대학교 물리학과 학사와 석사 학위를 하였고, 1994년 MIT에서 물리학 박사 학위를 받았다. 1994-1997의 3년 동안 MIT와 Harvard University에서 연구원으로 일했고, 1997-2006년 동안 Stanford University의 기계공학과 조교수를 역임하고, 2006년부터 지금까지 University of Texas at Dallas에서 부교수와 교수로 재직하고 있다. 15년 교수 경력동안 12명의 박사를 배출했고, 가장 최근 (2011)에 배출한 Dr. Weichao Wang이 Science논문의 제일 저자이다.

Nanostellar는 2003년 말에 조경재 교수가 실리콘 벨리에서 벤처 투자를 받아서 창업했고, 디젤 엔진의 배기가스 저감 촉매인 백금을 대체할 촉매를 개발해왔다. 조경재 교수가 Science 논문의 공동 저자인 Weichao Wang, Geoffrey McCool, Neeti Kapur, Guang Yuan, Bin Shan, Kelly Hao 박사들과 재료 설계의 방법론을 개발하고 PdAu 촉매 개발과 산화물 촉매 개발을 진행해왔다.

□ 연구비 지원 프로그램
2011-2012년 동안 조경재 교수가 서울대에서 연구년을 보내면서 WCU Multisclae Mechanical Design Program (Grant No. R-31-2009-000-10083-0)의 지원을 받아 연구를 수행하였다.

담당부서/연구지원과 (02) 880-5659