[쿠키과학] 온실가스 저감 '산소 탱크' 세리아 비밀 풀었다

KAIST-서울대, 세리아 산소 활용원리 세계 최초 규명
입자 크기에 따라 산소 공급방식 달라
저온·고습 조건에서 메탄제거 안정적 성능
백금·팔라듐 귀금속 사용량 줄이는 촉매 기대

세리아 사이즈에 따른 산소 전달 원리 모식도. KAIST

KAIST가 온실가스를 제거하는 촉매가 입자 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 전혀 다르다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다.

이번 연구는 단순히 산소를 잘 쓰는 것을 넘어 반응 환경에 맞춰 산소를 선택적으로 활용하도록 촉매를 설계할 수 있는 길을 열어 큰 의미를 갖는다.

KAIST 생명화학공학과 이현주 교수팀과 화학과 박정영 교수팀이 서울대 재료공학부 한정우 교수팀과 공동연구로 친환경 촉매 ‘세리아(CeO₂)’의 크기에 따른 산소 활용 원리를 규명했다. 

세리아는 희토류 금속인 세륨과 산소가 결합한 화합물로, 주변 산소가 부족하면 저장해 둔 산소를 내놓고, 남으면 다시 저장하는 능력이 있어 촉매 분야에서 ‘산소 탱크’로 불린다. 

이를 활용하면 자동차 배기가스 정화장치나 공장 매연 저감장치에서 사용하는 백금 촉매를 보완할 수 있다.

그러나 지금까지 세리아가 반응 과정에서 산소를 외부 공기에서 가져오는지, 내부에 저장된 산소를 꺼내 쓰는지에 대한 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

공동연구팀은 세리아 입자를 나노 크기부터 상대적으로 큰 크기까지 정밀하게 제어해 산소의 이동과 반응 과정을 분석했다. 

그 결과 세리아 크기에 따라 산소를 얻는 방식이 다른 것을 확인했다.

입자가 작은 세리아 촉매는 공기 중에 떠다니는 산소를 빠르게 잡아채 즉시 반응에 사용하는 ‘순발력형’으로 작동했지만, 입자가 크면 내부에 저장했던 산소를 표면으로 끌어올려 지속적으로 공급하는 ‘지구력형’ 역할을 했다. 

연구팀은 이 원리를 강력한 온실가스인 메탄을 제거하는 실험에 적용했다. 

실험 결과 작은 크기의 세리아 촉매를 사용했을 때 공기 중 산소를 즉각 활용해 낮은 온도에서도 메탄을 효과적으로 없앴다. 

특히 실제 대기 환경처럼 습기가 많은 조건에서도 안정적인 성능을 유지했다.

이번 연구는 고가의 백금이나 팔라듐 같은 귀금속 촉매 사용량을 줄이면서 온실가스 저감 효율을 높이는 데 적용할 수 있다.

특히 공장 굴뚝이나 자동차 배기구처럼 수분이 많고 온도가 다양한 조건에 맞춰 최적의 촉매를 설계할 수 있을 것으로 기대된다.

이 교수는 "이번 연구는 촉매의 입자 크기 제어만으로 반응에 관여하는 산소의 원천과 이동 메커니즘을 선택적으로 조절할 수 있음을 입증한 최초 사례"라며 "향후 저온이나 고습 등 까다로운 실제 산업 환경에 최적화된 맞춤형 온실가스 저감 촉매를 설계하는 데 있어 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정, 화학과 한재범 박사과정, 서울대 재료공학부 정석현 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 9일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
(논문명 : Understanding oxygen transfer on ceria with Pt single atoms for surface reaction)

(왼쪽부터)KAIST 이현주 교수, 최윤지 박사 과정생, 한재범 박사 과정생, KAIST 박정영 교수 (윗줄 왼쪽부터) 서울대 한정우 교수, 정석현 박사. KAIST

이재형 기자 jh@kukinews.com