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싱그러운햇살
백금은 왜 자동차 촉매변환기에 필수적으로 쓰이나요?
자동차 배기가스 정화장치에 백금 같은 귀금속이 들어간다고 들었는데, 이 금속이 촉매 작용에서 어떤 화학적 역할을 하는지 궁금합니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
저도 반도체 공정을 많이 다루다보니 질소를 아주 많이 사용했었는데, 초고순도 질소를 공급하기 위해서 질소정제기를 사용했었습니다. 여기에 백금이 들어가 있지요.
백금은 자동차 촉매변환기에서 배기가스 속 유해물질의 화학반응을 빠르게 만드는 촉매 역할을 합니다. 백금 표면에는 일산화탄소와 탄화수소, 산소 같은 분자들이 달라붙었다가 서로 반응하기 쉬운 상태가 되는데, 이 과정에서 일산화탄소는 이산화탄소로, 연소되지 않은 탄화수소는 이산화탄소와 물로 바뀌게 됩니다.
백금은 반응 속도를 크게 높이면서도 자신은 거의 소모되지 않기 때문에 반복해서 촉매 역할을 할 수 있고, 또 높은 온도와 부식성 배기가스 환경에서도 비교적 안정하기 때문에 자동차 배기계에 사용하기에 적합하다고 할 수 있습니다.
실제 촉매변환기에는 백금뿐 아니라 팔라듐이나 로듐도 함께 사용되고 있고, 각 금속들이 서로 다른 배기가스 정화반응을 담당합니다.
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채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
촉매변환기가 하는 일은 배기가스 속 유해물질을 무해한 물질로 바꾸는 거예요. 일산화탄소를 이산화탄소로, 타지 않은 연료를 물과 이산화탄소로, 질소산화물을 질소와 산소로 분해해요. 이 반응들은 그냥 두면 거의 일어나지 않거나 아주 느려요. 반응이 시작되려면 기존 분자의 결합을 먼저 끊어야 하는데 그 문턱이 높거든요.
백금이 하는 역할이 그 문턱을 낮춰주는 거예요. 백금 표면에는 반응할 분자가 달라붙는데, 이때 분자 안의 결합이 약해져 쉽게 끊어져요. 산소 분자가 백금 표면에서 원자 두 개로 쪼개지고, 그 산소 원자가 옆에 붙은 일산화탄소와 만나 이산화탄소가 되는 식이에요. 혼자서는 만나기 어려운 분자들을 표면에 나란히 붙잡아놓고 짝을 지어주는 중개자 역할이라고 보시면 돼요. 백금은 반응에 참여하지만 결과적으로 자기는 변하지 않고 그대로 남아서, 한번 넣으면 수십만 km를 계속 일해요.
왜 백금이어야 하냐면 조건이 까다로워서예요. 배기관 안은 800도까지 오르고 황과 수분, 각종 부산물이 섞인 가혹한 환경인데, 대부분의 금속은 여기서 산화되거나 녹아버려요. 백금은 화학적으로 극도로 안정해서 이 환경에서도 변하지 않고, 산소와 결합력이 적당해서 분자를 붙잡되 너무 세게 붙잡지 않아요. 너무 약하면 반응이 안 되고 너무 강하면 생성물이 표면에서 떨어지지 않아 촉매가 막혀버리거든요. 이 균형이 절묘한 금속이 백금족뿐이에요.
실제 촉매에는 백금 혼자 들어가지 않아요. 팔라듐은 탄화수소 산화에 강하고 로듐은 질소산화물 분해에 특히 좋아서 세 금속을 섞어 쓰는데, 이걸 삼원촉매라고 불러요. 값이 워낙 비싸서 세라믹 벌집 구조 표면에 아주 얇게 코팅해 표면적만 극대화하는 방식으로 사용량을 줄이고요. 이 금속들이 비싸다 보니 폐차에서 촉매변환기만 도려내 가는 절도가 세계적으로 문제가 되고 있어요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
백금은 자동차 배기가스 중 미연소 유해 물질인 일산화탄소와 탄화수소를 무해한 이산화탄소와 물로 바구는 산화 반응의 활성화 에너지를 획기적으로 낮춰 줍니다 금속 표면 흡착 능력이 뛰어나 산소 분자를 원자 상태로 손쉽게 분리하며 배기가스의 고온 고압 환경과 부식성 기체 속에서도 화학적 성질을 잃지 않는 극도의 열적 화학적 안정성을 자랑합니다 이러한 우수한 촉매 효율과 내구성 덕분에 대체할 물질을 찾기 어려워 핵심 재료로 필수 사용됩니다