<사진. 스페인 카탈로니아 기술대학 나노기술연구소의 Jordi Llorca와 Nuria Jimenez
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

자동차 및 산업 공정의 효율성을 높이는 맞춤형 촉매

스페인의 카탈로니아 기술대학(Universitat Politecnica de Catalunya, UPC) Jordi Llorca 교수가 이끄는 연구진은 촉매의 특성에 따라 다르게 반응하는 원자에 대한 연구결과를 최근 발표하였다. 이번 연구는 에너지 분야에 활용될 수 있는 새로운 촉매 개발 및 설계를 향한 중요한 계기가 될 것이라고 기대된다.

산업 공정에 사용되는 촉매의 95%는 자동차 등 연소기관으로부터 방출되는 공해 가스를 제거하는데 사용될 수 있다. 촉매는 화학 반응의 속도를 높이는 역할을 한다. 또한 우리 몸 속에는 효소와 같은 형태로 무수히 존재한다. 에너지 관점에서 볼 때 촉매의 역할은 이러한 반응에 필요한 에너지 소비량을 줄이는 역할을 한다.

UPC CRnE와 INTE의 Jordi Llorca 박사 연구진은 원자가 어떻게 촉매 내로 움직이는지를 연구했다. 이를 통해서 촉매에 따라 그 안에 있는 원자나 나노입자들이 어떻게 반응하는지에 대한 연구를 진행했다. 이번 연구는 에너지 분야에 사용될 맞춤형 촉매 설계에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이를 통해서 연소기관의 오염 가스 제거에 효과가 클 것으로 기대된다.

연구진이 이번에 개발한 촉매는 로듐과 팔라듐 나노입자를 포함하고 있다. 나노입자는 세리아(ceria)에 포함된다. 이러한 촉매는 화석 연료를 대신할 수 있는 수소 생산에 효과적이다. 이를 통해서 현재의 화석 에너지를 대체할 수 있는 더 친환경적이면서 지속가능한 에너지 생산에 큰 도움이 될 수 있다.

연구진은 이번 연구를 통해서 수소 생산의 효율성을 향상시킬 수 있게 되었다. 수소는 물과 에탄올에서 추출이 가능하며 에탄올은 농업 생산물에서도 쉽게 추출이 가능하다. 산을 오르는 데에는 직진으로 산으로 올라 바로 내려오는 길이 가장 최단 거리이지만 이렇게 하는 데에는 엄청난 에너지가 소요된다. 이번 연구는 산을 오를 때 산을 가로지르는 나선형 등반과 같아 거리상으로는 더 멀게 느껴지지만 소요되는 에너지는 훨씬 줄어드는 것과 같다고 연구진은 설명했다.

이번 연구는 원자와 나노입자들이 촉매 내에서 어떻게 거동하는지, 또한 항상 동일한 방식으로 반응하는지를 보여주고 있다. 연구진은 X선 광전자 현미경 챔버를 이용하여 물분자와 에탄올 분자가 섭씨 550도까지 올라갈 때 어떠한 일이 일어나는지를 관찰했다. 이를 통해서 화학반응 동안에 나노입자와 원자의 움직임을 정밀하게 측정하는데 성공했다. 이를 통해서 촉매에 따른 원자 및 나노입자의 반응 및 그 조성에 따라 반응 결과가 어떻게 달라지는지를 확인할 수 있었다.

연구진은 촉매 내의 원자는 특정한 위치를 선호한다는 것을 발견했다. 이러한 위치는 전자들이 금속 나노입자와 세리아 사이에서 서로 교환되어 새로운 화학 결합을 형성하거나 깨서 수소를 생산하는데 도움이 된다. 자동차, 모터사이클, 비행기, 선박 등에서 사용되는 연소 엔진에서 세리아를 기반으로 하는 촉매는 에너지 효율성을 높이는데 적용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구진은 설명했다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr