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개량된 자동차 탈 오염 촉매를 위한 나노물질(Nanostructured materials for advanced automotive de-pollution catalysts)

전문가 제언: □ 환경규제법규에서 요구하는 HC, CO 및 NOx의 95%이상의 변환은 오직 양론적 공연비(A/F=14.65)에 접근된 범위에서만 가능하고, 넓은 범위의 공연비에서 운전하게 되면 3원촉매의 성능이 열화(劣化)된다. 따라서 A/F제어는 엔지니어링 및 화학적인 통합적 전략을 채택하여 세밀하게 조절하는 접근방법이 필수적이라고 생각한다.

□ CeO2는 공연비에서 연료가 희박할 때 산소를 흡착하고 농후할 때 산소를 방출하는 능력이 있다. CeO2의 3원촉매에서의 역할은 귀금속의 분산촉진, 알루미나 담체의 열적 안정성 증가, 수성가스 전환과 스팀형성, 금속/담체 경계면에서의 촉매활성도 증가 및 격자산소 산화를 통한 CO제거 촉진 등 매우 중요하고 핵심적인 역할을 수행한다. 따라서 CeO2의 삼원촉매에서의 제반 작동 메커니즘을 숙지하는 것이 3원촉매의 적절하고 효과적인 사용을 보장하고, 더 나아가 개량 3원촉매를 개발하는데 기초로서 기여할 수 있을 것이다.

□ CeO2에 ZrO2를 첨가한 개량으로 OSC촉진 및 미래형 3원촉매 개량에 돌파구가 마련되었다. 고온에서 CeO2는 벌크에서 환원되지만 ZrO2를 가하면 저온에서 표면 환원이 된다. Ce4+와 Zr4+의 이온의 크기는 각기 0.097 및 0.084nm로서 서로 크기가 달라서 고용체를 형성할 때는 구조상에 결함과 뒤틀림이 발생한다. 즉 무질서한 섬을 형성한다. 섬의 형성은 CeO2에 더 많은 결함을 발생시켜 입계 및 빈자리를 증가시키고 산소수송과 환원을 더 용이하게 한다. CeO2-ZrO2고용체는 준안정상태로서 단일상의 높은 표면적 생성물의 제조가 쉽지 않다. CeO2-ZrO2혼합산화물의 표면성질을 적절히 개질하면 표면에 활성자리가 생성되어 저온 환원이 촉진된다. 단일상의 표면에 조직상 안정한 나노구조의 분말인 Ce0.5Zr0.5O2생성물로 개질하면 표면적의 감소 없이 현저히 낮은 온도에서 환원이 이루어진다. 준안정 상태의 CeO2-ZrO2혼합산화물은 촉매로의 활용에 유용하다. 이를 제조하기 위해서는 첫째 치밀하고 정교한 CeO2-ZrO2혼합산화물의 설계, 둘째 적절한 CeO2-ZrO2혼합산화물합성전략 수립, 셋째 화학적 합성기술 및 선진 분말 가공기술의 확보가 필요하다.

저자: Kaspar, Jan; Fornasiero, Paolo
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