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혼합-금속 산화물의 전자 및 화학적 성질-탈질 및 탈황 촉매 설계 원리(Electronic and chemical properties of mixed-metal oxides: basic principles for the design of DeNOx and DeSOx catalysts)

전문가 제언: □ 현재 공장 및 화력 발전소 등의 고정원과 자동차에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx) 및 분진이 전체 대기오염의 50% 정도이고, 특히 NOx는 황산화물(SOx)과 함께 산성비의 주원인이 되고 있다. 따라서 대기오염 문제를 해결하기 위해 세계 각국에서는 우선적으로 배출 저감에 다각적인 노력을 진행해 오고 있다. 촉매 기술 개발은 NOx 및 SOx의 제거 기술에 핵심으로써 이에 대한 많은 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 고정원의 NOx는 이미 환원제로 암모니아에 의한 선택적촉매환원법(SCR)이 사용되고 있으나, 기존 암모니아 SCR 공정은 암모니아 누출에 의한 환경오염이 또 다른 환경 문제를 야기하고 있으며, 장치 부식이 커서 장치 설치 및 유지비용이 고가인 문제를 수반하고 있다. 천연가스와 같은 탄화수소를 환원제로 사용할 경우 암모니아에 비해 값이 싸고 장치 부식도 없어 많은 장점을 가지고 있다.

□ 이외에도 NOx에 대한 직접적인 분해능은 혼합 금속 산화물인 Perovs -kites형 촉매이다. 이 형태의 촉매들의 NO 분해는 이 화합물의 구조에서 비화학양론적인 산소 결합 구조 때문이라고 알려지고 있다. ABO3 화학량론적 Perovskites는 격자 산소(O2-)이온과 크기가 큰 A 양이온(1가 및 2가)에 의해 입방체 배열을 형성하며, 크기가 작은 B 양이온(4가 또는 5가 전이 금속)은 격자 산소이온에 의해 형성되는 8면체 정공에 위치한다. 이러한 Perovskites 산화물은 고온 처리에 의해 산소 결핍 상태를 나타내는 비화학량론적 구조로 인하여 활성을 가진다. 이들 Perovskites 산화물은 CO 및 메탄의 산화, NO의 환원, SO2의 분해 및 물의 광분해 등에 활성을 가진 촉매로 작용한다. SO2의 분해(DeSOx)는 환경화학에서 중요한 문제로, SrTiO2가 SO2의 환원 반응에 촉매로 작용하고, 이는 개별적인 산화물인 TiO2 및 SrO보다 2~3배 빠르다는 것이 알려졌으나, 그 이유에 대해서는 아직 명쾌하게 밝혀지지 않아서 이 분야에 대한 추가 연구가 필요하다. 이외에 혼합 산화물 촉매로 금속 혼입된 MgO는 메탄을 CO2 또는 H2O로 개질하여 C2 탄화수소를 생성하는 촉매로 사용하고, 혼입제 금속을 바꾸면 촉매 활성이 크게 변하게 된다. 자동차 배기가스 처리용 촉매의 경우도 순수 산화세륨보다는 산화지르코늄을 첨가하면 열적 안정성 및 산화 환원 촉매성능이 향상되는데 이들 현상은 아직 이해가 충분치 못하여 기본 지식이 더 필요하다.

저자: Rodriguez, Jose A.
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