▲ 분말 형태 촉매를 고온에서 뭉쳐 만든 벌집형 촉매와 성능 평가 결과 / 최적화된 분말촉매를 통해 제작된 형상촉매(벌집형 촉매)는 25개의 셀로 제작되었으며 (좌), SO2 및 H2O 과 같은 피독물질이 존재하는 가혹한 가스 조건에서도 240℃부터 400℃까지 90% 이상의 질소산화물 전환율과 99.8% 이상의 질소선택도가 유지된다 (우).(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

대기오염의 주요 원인으로 꼽히는 질소산화물(NOx)을, 온도에 관계없이 안정적으로 제거할 수 있는 ‘전천후 촉매’가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 공장 굴뚝, 자동차, 선박 등 연료를 태우는 어느 환경이든 적용이 가능해 산업계와 환경 정책 모두에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

UNIST 신소재공학과 조승호 교수 연구팀과 한국생산기술연구원 울산기술실용화본부 김홍대 박사 연구팀은 240~400℃의 넓은 온도 범위에서 질소산화물을 97% 이상 제거할 수 있는 고효율 탈질촉매(SCR 촉매)를 공동 개발했다고 17일 밝혔다.

질소산화물은 미세먼지, 오존, 산성비를 유발하는 대표적 대기오염물질이다. 기존의 바나듐-텅스텐계 촉매는 350℃에서만 높은 효율을 내 성능 저하 문제가 꾸준히 제기돼 왔다. 하지만 이번에 개발된 촉매는 240℃에서도 93.6%, 고온에서도 97% 이상의 제거 효율을 안정적으로 유지한다. 이는 기존 촉매의 효율(62.4%) 대비 획기적인 개선이다.

촉매의 비결은 소량 첨가된 육방정형 질화붕소(h-BN)에 있다. 이 물질은 촉매 내 바나듐 이온의 활성을 높이고, 촉매 표면을 수분이나 황산염 같은 이물질로부터 보호함으로써 성능 유지와 수명 연장에 기여한다. 또한, 유해 부산물인 아산화질소(N₂O)의 생성도 거의 없어 온실가스 저감 측면에서도 의미가 크다.

연구팀은 실제 산업 적용을 고려해 가루 촉매를 벌집형(monolith) 구조로 성형, 빠른 유속(20L/min)에서도 수십 마이크로그램의 NO를 초당 처리할 수 있는 성능을 확인했다. 이는 공정·운전 환경에서의 상용화 가능성을 크게 높이는 결과다.

조승호 교수는 “이 촉매는 작동 온도 범위가 넓어, 공장·자동차·선박 등 다양한 배출원에서 나오는 대기오염물질인 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있다”며, “촉매의 독성을 유발하고 값이 비싼 바나듐 함량도 줄여 산업 환경의 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 성과는 환경공학 분야 최고 수준의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental and Energy(IF 21.1)’에 6월 12일 온라인 공개됐으며, 이명진 졸업생이 제1저자로 참여했다.

논문명은 Hexagonal boron nitride heterostructure to control the oxidation states and SO₂ resistance of the V₂O₅–WO₃/TiO₂ catalyst for the NH₃–SCR reaction across a wide temperature range이다.