러시아 국립과학기술대학(National University of Science and Technology MISIS)과 호주 퀸즐랜드 대학(Queensland University of Technology)의 연구진은 육방정계 질화붕소와 은 나노입자로 구성된 새로운 하이브리드 촉매를 개발했다. 이 재료는 섭씨 194도에서 일산화탄소를 이산화탄소로 완전히 전환시킬 수 있다. 하이브리드 재료 속의 은(Ag) 농도를 증가시킴으로써 촉매 작용 온도를 추가적으로 감소시킬 수 있을 것이다.

 

일산화탄소는 사람에게 유해한 가스 중의 하나이지만, 현재 자동차 배기가스로서 배출되고 있다. 이런 유해한 일산화탄소를 무독성 이산화탄소로 전환하기 위한 촉매 변환기는 자동차의 일산화탄소 배출을 없애기 위해서 사용된다. 그러나 엔진의 효율을 향상시키기 위해서 배기가스의 온도를 감소시켰기 때문에, 이로 인해서 촉매는 효율성이 크게 떨어졌고, 결과적으로 배기가스에서 일산화탄소 함량이 증가했다.

 

이런 문제점을 극복하기 위해서는 섭씨 150℃ ~ 200℃ 사이의 비교적 낮은 온도에서 작동하는 새로운 일산화탄소 산화용 촉매가 필요하다. 최근에 산화세륨 표면에 분포된 백금 원자가 일산화탄소 산화용 촉매로 개발되기도 했다. 그러나 아직까지 목표한 온도에서 작동하는 촉매를 개발하지 못하고 있는 실정이다.

 

이번 연구진은 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키기 위해서 새로운 촉매를 개발했다. 여기서 육방정계 질화붕소와 은 나노입자를 기반으로 하는 하이브리드 촉매가 이런 목적에 유망하다는 것을 보여주었다.

 

저렴한 은 나노입자를 가진 하이브리드 물질은 촉매로서 매우 효율적이었다. 은 나노입자는 폴리에틸렌글리콜 용액 속에 자외선을 이용한 질산은의 분해 반응으로 만들어졌다. 이 방법은 최대 10 나노미터인 은 입자를 얻을 수 있게 했다.

 

은 나노입자가 최대 약 1.4 중량%일 때 가장 효율적인 촉매가 만들어졌다. 이러한 하이브리드 촉매는 섭씨 194℃의 온도에서 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시켰다. 이 수치가 아직 목표치에 비해서 낮지만, 은 나노입자의 농도를 증가시킴으로써 추가적으로 감소시킬 수 있을 것이다.

 

이 연구는 자동차 배기가스로 방출되는 일산화탄소의 양을 감소시키는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 향후에는 메탄의 분해나 이산화탄소를 탄화수소를 환원시키는데도 적용될 수 있을 것이다.

 

이 연구결과는 Journal of Catalysis에 “Synthetic routes, structure and catalytic activity of Ag/BN nanoparticle hybrids toward CO oxidation reaction” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.1016/j.jcat.2018.10.016).