촉매 기반 배출가스 정화 기술이 자동차의 오염물질 배출을 줄이는 과정
안녕하세요. 촉매 변환기는 일산화탄소와 질소산화물을 분배합니다. 온도와 금속 촉매의 조합이 반응 효율을 높이는 과정에 대해서 궁금합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
화학반응은 온도가 높으면 반응이 빨라진다는 아레니우스의 원리를 따르지만 촉매 변환기는 최적의 온도가 존재하기에 온도가 높아진다고 속도가 빨라지지 않으면 오히려 효율이 떨어지게 됩니다.
적정온도는 400~800도로 범위가 넓은 편이며 그 이하와 이상의 온도에서는 촉매변환기의 효율이 떨어지게 되는 것이 확인되어 있습니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)
안녕하세요.
질문 주신 촉매 기반 자동차 배출가스 정화의 작동 과정은 고온·귀금속 촉매·배기가스 조성의 삼박자가 맞아야 최대 효율을 내는 매우 정교한 화학 시스템인데요 자동차의 촉매 변환기는 엔진에서 배출되는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 서로 다른 화학반응을 통해 동시에 정화하는데, 이를 가능하게 하는 핵심은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매가 갖는 높은 반응 활성입니다. 이 금속 표면에는 기체 분자들이 흡착하여 결합이 느슨해지고, 그 결과 낮은 에너지로도 분해·재결합 반응이 일어나게 됩니다.
예를 들어 로듐은 NOx에서 산소를 떼어내 질소 기체(N₂)를 만드는 환원 반응에 특히 뛰어나며, 백금과 팔라듐은 CO나 미연 탄화수소를 산화해 CO₂와 H₂O로 만드는 데 유리한 활성을 갖습니다. 이러한 금속을 조합해 배기가스가 촉매층을 통과하는 동안 산화와 환원이 동시에 일어날 수 있게 설계한 것이 삼원촉매의 구조입니다.
이때 온도는 매우 중요한 변수가 되는데요 귀금속 촉매는 일반적으로 250~300°C 이상에서 활성화되며, 이 때 표면에서 기체 분자들의 흡착과 탈착이 빠르게 반복되어 반응 속도가 급격히 증가합니다.
온도가 너무 낮으면 분자가 촉매 표면에 잘 붙지 않아 반응이 제한되고, 반대로 800°C 이상을 오래 유지하면 촉매 입자가 뭉쳐 표면적이 줄어드는 소결 현상이 발생해 효율이 떨어집니다. 따라서 자동차 ECU는 연료분사량과 공기비를 조절해 촉매가 효율적인 온도 범위에서 작동하도록 배기열을 관리합니다.
또 하나의 핵심은 배기가스 내 산소의 양입니다. 삼원촉매는 공기비가 이론적 연소비에 매우 가까울 때 가장 높은 효율을 보입니다. 산화반응을 위해서는 일정량의 산소가 필요하지만, NOx를 분해하는 환원반응은 산소가 많으면 억제되며 이를 해결하기 위해 촉매층에는 산소 저장 물질이라 불리는 세륨 산화물(CeO₂)이 포함되어 있습니다. 세륨은 산소가 많을 때 산소를 흡수해 CeO₂.ₓ 형태로 저장하고, 산소가 부족할 때는 저장한 산소를 즉시 방출하여 촉매 표면의 산화·환원 분위기를 빠르게 균형 잡아 줍니다. 그래서 엔진이 살짝 농후하거나 약간 희박해지는 작은 변동에도 전체 반응 효율이 안정적으로 유지됩니다. 감사합니다.