연구팀의 ‘금속 앙상블 촉매’는 휘발유 차량 배기가스 정화 반응인 삼원 촉매 반응에서(three-way catalysis, TWC) 기존 단일원자 촉매, 상용 삼원 촉매 대비 월등한 저온 촉매 성능과 노화 및 장기 반응 등 내구성 평가에서 탁월한 성능을 보였다.

이때문에 이 앙상블 촉매는 불균일계 촉매 분야에서 기존 단일원자 촉매를 뛰어넘는 가치가 있을 것으로 기대된다.

다양한 불균일계 촉매 중 귀금속(백금, 팔라듐, 로듐) 촉매는 높은 활성에 널리 사용되지만, 귀금속의 희소성과 비싼 가격으로 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요한 과제다.

이와 더불어 단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있어 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 100% 분산도를 갖는 금속(백금, 팔라듐, 로듐) 앙상블 촉매를 개발해 삼원 촉매 반응에 적용했다.

100% 분산도는 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있어 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미로, 단일원자 촉매도 갖는 공통 특징이지만 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점을 지닌다.

실제로 일산화탄소, 프로필렌, 프로판, 일산화질소를 동시에 제거하는 삼원 촉매 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 보인 점은, 탄화수소 산화 반응 성능이 없어서 삼원 촉매 성능이 저하되는 단일원자 촉매의 문제점이 해결됐다는 것을 뜻한다.

분산도 100% 금속 앙상블 촉매는 수열 노화, 장기 반응, 재사용 반응 등 내구성 평가에서도 탁월한 성능을 보여 실제 휘발유 차량 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.

이현주 교수는 “이번에 개발한 금속 앙상블 촉매는 기존 단일원자 촉매의 한계를 극복하는 새로운 금속 촉매로써 학술적으로 기여하는 바가 크다”며 “휘발유 차량 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 연구의 가치가 매우 크다”고 말했다.