디젤 엔진의 저온 NOx 저감특성 향상을 위한 Cu-SSZ-13 zeolite 촉매의 저온 산점 암모니아 흡탈착량 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

디젤 자동차에서 배출되는 NOx(질소산화물)은 대도시 대기오염의 주요 원인 중의 하나이다. 세계 여러 나라에서 NOx 규제를 지속적으로 강화하고 있으며, 보다 더 우수한 성능을 갖는 NOx 저감 기술개발이 계속되고 상황이다. SCR(Selective Catalytic Reaction, 선택적 환원 촉매) 기술은 디젤 엔진의 가장 효과적인 NOx 저감 기술로 손꼽히고 있으나 저온 조건에서의 낮은 NOx 저감효율은 개선이 필요하다. 이전의 여러 연구에서 SCR 촉매의 암모니아 흡장반응에 대해 다양한 연구를 진행하였다. 이로부터 이온교환된 지올라이트의 암모니아 흡장 및 탈착 특성에 대한 이해의 폭을 넓히게 되었으며, 암모니아 흡착량을 증가시키는 등 적절하게 제어하면 저온조건에서 NOx 전환 효율을 향상시킬 수 있다는 연구결과가 제시되기도 하였다. 그러나 저온 SCR 반응에 중요한 염기성의 암모니아가 결합되는 산점(acid sites)의 종류와 양, 그리고 암모니아와 산점 사이의 반응 메케니즘 등에 대한 연구가 부족하여 저온 SCR 반응을 이해하고, 제어하여 NOx 저감 효율을 개선하는데 어려움이 있어왔다.
본 연구에서는 열적 내구성이 우수하여 자동차용으로 주로 사용되는 Cu-SSZ-13 zeolite 촉매를 이용하여 암모니아흡장 특성에 대해서 연구하였다. 이와 같은 연구를 활용하여 향후 저온에서 NOx 저감효율을 높이고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. 먼저, 본 연구에서는 저온 standard SCR 반응 메케니즘 중에서 암모니아의 acid sites 흡착과정이 NO 분자를 환원하는데 어떤 역할을 하는지 문헌연구를 통해 고찰하였다. 또한 저온에서 Cu-zeolite 촉매에 암모니아를 일정량 분사한 후, TPD(Temperature- programmed desorption) 방법으로 점차적으로 온도를 높이는 실험을 진행하였다. 이상의 연구를 통해서 Cu-zeolite의 acid sites를 구분/정의하였으며, acid sites에 암모니아가 흡착되는 순서와 흡착량을 정량화하였다. 이와 같은 연구결과는 향후 저온 조건에서의 SCR 효율 향상을 위해 암모니아 acid sites를 어떻게 제어해야 하는지에 대한 중요한 정보를 제공할 것으로 보인다.