한양대 김경학 교수 '고성능 아산화질소 분해 촉매' 개발

기사내용 요약
지구 온난화 막는 촉매 물질…다양한 금속 촉매 연구에 활용 가능성

[서울=뉴시스] 한양대 김경학 교수(사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 최근 유엔기후변화협약 당사국총회(COP26)에서 지구온난화 문제 해결을 위한 고강도의 메탄 규제 계획을 발표함에 따라 온실가스 저감 문제 해결 방안이 세계적 화두가 되고 있다.

그런데, 통상 지구온난화에 영향을 미치는 온실가스로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 꼽고, 아산화질소(N2O)는 경시하는 경향이 있다.

사실 아산화질소의 생성되는 양은 상대적으로 적으나 온난화 지수(global warming potential, GWP)는 메탄과 이산화탄소의 300배 이상이고, 자연 분해되기까지 100년 이상 필요한 만큼 반드시 관리해야 하는 물질이다.

이러한 가운데 최근 한양대학교는 화학공학과 김경학 교수가 공동연구를 통해 '고성능·고안정성의 아산화질소 분해 촉매'를 개발했다고 9일 밝혔다.

김경학 교수는 아산화질소가 팔라듐 촉매와 만나면 질소와 산소로 분해되고, 팔라듐 촉매 표면에 인장력(tensile strain)을 가할 경우 팔라듐 촉매 성능이 크게 향상된다는 점에 주목했다.

하지만 기존 팔라듐 촉매에 효율적으로 인장력을 가하기 위해 물리적 힘을 가하거나 환경 조건 변화를 유지하기 위한 부가 시설 및 운용 비용이 소모된다는 문제점이 있었다.

김 교수는 이런 문제를 극복하고자 팔라듐보다 원자 반지름이 큰 금(Au)을 활용했다. 김 교수는 금으로 나노 입자를 만들고 나노 입자의 표면에 팔라듐 원자층을 만드는 '코어 쉘(core-shell) 구조'를 고안하고, 표면 원자층 두께를 최적화함으로써 외부 에너지 소모 없이 팔라듐 촉매에 인장력을 가해 촉매 활성과 안정성을 높인 새로운 촉매를 개발했다.

그 결과, 이렇게 디자인된 나노 촉매의 성능은 기존 촉매 대비 아산화질소 분해 능력이 크게 증가됐고, 1000회의 성능 테스트 후에도 기존 대비 약 30%의 안정성 증진 효과를 보였다.

김경학 교수는 "이번 연구 결과는 지구온난화 문제 해결에 직접 적용될 수 있으며, 이번 연구에 활용된 이론-실험-실증의 연구 방법론은 금속 나노 입자를 바탕으로 하는 다양한 촉매 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 서울대 김재정 교수, 현택환 교수, 포항공대 한정우 교수팀과 공동으로 이뤄졌으며 한국연구재단 중견연구자 지원 사업 및 IBS연구단의 지원 사업의 도움을 받아 진행됐다. 연구 결과는 촉매 분야 세계적 권위지(紙) 'ACS Catalysis'에 12월 호에 표지 논문으로 게재됐다.

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