KIST 개발 저온탈질촉매, 세계시장 주도 기대

가격을 획기적으로 낮추면서도 효율과 내구성을 높인 촉매기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 외국제품에 의존했던 촉매의 국산화에 성공했다.

대기오염의 주범인 질소산화물을 처리하기 위해서는 제철소 배연가스 소결로에 촉매를 장착해 유해물질을 제거하는 기술이 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 하헌필 박사팀은 고가의 텅스텐 등 희소금속을 사용하지 않는 대신 가격이 싼 비전이(非轉移)금속 조촉매를 사용하여 친환경적인 탈질촉매(질소산화물 환원촉매)를 개발했다고 밝혔다.

현재 세계적으로 탈질촉매는 주로 타이타니아 위에 바나듐을 첨가하여 활성물질로 사용한다. 철 제조 공정 중 가장 오염물질 배출이 많은 소결로는 촉매의 작동온도가 250정도의 저온이므로 촉매의 내구성이 쉽게 저하된다. 이러한 환경에서 촉매 내구성 증진을 위해 현재까지는 값비싼 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 희소금속을 다량 첨가한 외국산 촉매를 사용하여왔다.

개발된 촉매는 비전이 금속 조촉매를 소량 첨가하고, 가격이 희소금속에 비하여 저렴하여, 최종 촉매가격이 기존 촉매보다 30%이상 원가가 저렴하다. 또한 낮은 온도영역에서 높은 촉매활성이 입증되어 외국의 촉매보다 가격·성능·내구성 면에서 모두 높은 경쟁력을 가진 세계시장을 주도하는 제품이 될 것으로 기대된다.

하헌필 박사팀은 촉매의 작동과정을 모델링하고 물질 구성의 기본 요소인 전자와 원자핵의 양자적 상호작용을 계산하여 물질을 설계하는 양자화학 계산을 통하여 기존에 사용하지 않던 저가의 비전이 금속계에서 저온 촉매성능을 높일 수 있는 조촉매 물질을 발견하고, 물질특허를 획득하였다. 개발된 촉매는 비전이 금속 조촉매를 소량만 첨가하여도 모든 촉매특성이 기존 상용되는 촉매에 비하여 우수하다는 것을 확인하였다.

KIST는 이 기술을 강릉산업과학단지 소재 탈질촉매 전문제조회사인 ㈜대영씨엔이(사장 노세윤)에 이전하였고, ㈜대영씨엔이는 이전된 물질특허를 기반으로 POSCO와 함께 중소기업청 구매조건부사업을 통하여 POSCO 소결로 배연가스 처리용 탈질촉매모듈 개발을 목표로 상용화연구를 수행하였다.

상용화한 촉매모듈을 기존 촉매 중 가장 우수한 성능의 상용 촉매모듈과 함께 POSCO의 소결로 배연가스 처리장치내에 장착하여 비교시험하였고, 개발된 촉매가 6개월간의 가동후에도 저온영역에서 95%이상의 활성을 지속적으로 유지할 뿐만 아니라 내구성이 우수함을 확인하였다. 본 촉매는 POSCO 소결로에 장착하여 올해 말부터 사용할 예정이다.

하헌필 박사는 “이번 촉매개발은 출연연에서 물질특허를 확보하여 중소기업에 이전하고 중소기업은 이를 기반으로 부품소재로의 상용화기술을 개발하여 대기업에서 이를 채택 사용한 사례로, 고가의 외국산 촉매를 대체한다는 데 의미가 크고 또한 출연연-중소기업-대기업이 선순환 구조를 통하여 상생 협력하여 결과를 낸 좋은 본보기가 되었다”고 말했다.

하 박사는 “본 물질의 설계과정에서 축적된 노하우를 바탕으로 극저온 및 고온영역에서도 작동할 수 있는 환경촉매개발이 진행 중인데 이는 수조원 이상의 시장이 기대되는 이 분야 연구에서 세계적 선도 역할을 할 수 있게 되었다”고 덧붙였다.

이번 연구성과는 KIST 기관고유사업 및 중소기업청 구매조건부사업을 통해 수행되었으며, 한국, 중국, 유럽에 특허 등록 및 출원되었다.