국립경국대 이덕현 교수팀, 저온 탈질촉매 연구 미국화학회 ‘ACS Omega’ 표지논문 선정

국립경국대(총장 정태주) 전기·신소재공학부 이덕현 교수팀이 수증기가 섞인 조건에서도 질소산화물(NOx) 제거 효율을 유지하는 판형 저온 탈질 촉매를 개발했다.

연구 결과를 담은 논문은 미국화학회(ACS; American Chemical Society)가 발행하는 국제학술지 'ACS Omega'에 10월20일자로 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다. 이 연구는 미국 로체스터공과대학교 권기범 교수(연구 당시 미국 캔자스대학교), 한국생산기술연구원 송신애 박사와 공동으로 수행했다.

질소산화물은 산성비와 스모그를 일으키고 초미세먼지를 만드는 원인 물질이며, 화력발전소와 산업 설비에서는 배기가스에 암모니아(NH3)를 넣어 촉매 위에서 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 바꾸는 선택적 촉매 환원(SCR) 기술을 주로 쓴다. 석탄화력발전소에 널리 쓰이는 바나듐 계열 촉매(V2O5-WO3/TiO2)는 작동 온도 범위가 300~400℃로 좁아, 배기가스 온도가 이보다 낮은 설비에서는 효율이 떨어진다.

이 교수팀은 지난 2023년 같은 학술지에 질산염을 도입해 저온 활성을 높인 바나듐 촉매 분말을 개발해 발표했다. 그러나 분말 촉매를 실제 설비용 판형 촉매로 성형하면 운전하는 동안 코팅 탈락이 흔히 일어나, 저온 탈질용 성형 촉매 개발의 공통 과제로 꼽혀 왔다.

이번 연구에는 실리카(SiO2)를 결합재로 넣어 질산염 도입 바나듐 촉매를 유리섬유 판에 코팅하고, 실리카 함량에 따른 코팅 상태와 탈질 성능을 비교했다. 실리카 10 wt%와 바나듐 산화물(V2O5) 4 wt%를 넣은 촉매는 코팅이 고르게 퍼지고 유리섬유에 단단히 붙었으며, 180℃에서 수증기가 없을 때 질소산화물 제거 효율 98.7%를, 수증기를 10% 섞었을 때 95.2%를 나타냈다. 실리카를 넣지 않고 같은 바나듐 함량으로 만든 촉매는 같은 두 조건에서 각각 67.5%와 58.8%에 머물렀다.

이산화황(SO2)과 수증기를 섞은 같은 기체로 200℃에서 80시간 동안 운전한 내구성 시험에서도 실리카를 넣은 촉매는 효율 98%를 시험 내내 유지했지만, 실리카를 넣지 않은 촉매는 효율이 73%에서 70%로 낮아졌다. 운전 뒤 전자현미경으로 관찰한 결과, 실리카를 넣지 않은 촉매는 촉매 입자가 유리섬유에서 떨어져 나갔으나 실리카를 넣은 촉매는 처음의 고른 표면을 유지했다. 운전 전후 두 촉매의 주요 성분 함량은 거의 변하지 않아, 실리카를 넣지 않은 촉매의 성능 저하는 성분 변화가 아니라 코팅의 탈락에서 비롯된 것으로 분석됐다.

연구는 분말 상태에서 확인한 저온 활성을 실제 설비에 쓰는 판형 촉매로 옮기는 데 필요한 결합재 함량을 제시했으며, 이 결과는 배기가스 온도가 낮은 산업 설비용 탈질 촉매를 개발하는 데 활용될 수 있다.

이덕현 교수는 “분말에서 확인한 저온 성능을 실제 설비에서 쓰려면 촉매를 기재에 단단히 고정하는 것이 관건이었다”며, “실리카 결합재로 습한 배기가스에서도 성능이 유지되는 판형 촉매를 만든 만큼, 배기가스 온도가 낮은 산업 현장에 적용할 수 있도록 후속 연구를 이어 가겠다”고 말했다.