청정 환경을 위한 나노 소재

- 조철희 박사 (한국에너지기술연구원 선임연구원) -

(출처 : http://www.portalenergy.com/common/pretech0.htm) 

 

   인류문명이 산업 고도화됨에 따라서 인류의 의식주 문제는 대부분 해결되었고, 쾌

적한 생활환경 확보에 대한 관심이 증가되고 있다. 인류가 화석연료(석탄, 석유, 천

연가스 등)를 주원료로 하여 의식주 문제를 해결하면서 필연적으로 대기, 수질, 토양

에 유해물질 배출을 가속화하였고 현재 배출된 유해물질은 인류 생존을 위협하고 있

다.

 

   따라서 세계 각국은 유해물질 배출에 대한 엄격한 관리 체제를 확립하고 있으며 

각국이 연합된 협약의 형태로 타국가 의 유해물질 배출을 규제 감독하고 있다. 즉, 

유해물질 처리 및 관리 기술의 확보 없이는 지속적인 경제 발전 및 생활 편의성을 약

속받지 못하게 되었다. 이러한 이유로 청정 환경 확보를 위한 청정에너지 개발 및 유

해물질 처리 기술은 21세기 국가 기반기술이 되었다.

 

   대기, 수질, 토양 속의 유해물질 저감 방법은 유해물질 발생물질 사용을 억제하는 

방법과 대기, 수질, 토양 속으로 유입되는 유해물질을 포획 또는 분해하여 유입량을 

감소시키는 방법이 있다. 전자는 원천적으로 유해물질을 저감할 수 있지만 인류문

명 발달이 화석연료 등 유해물 발생물질 응용에 구동됨을 고려할 때, 시기적으로 불

가능하다. 즉, 인류 의식주 문제 해결사로 이용된 화석연료의 사용을 당장 그만 둘 

수는 없는 일이다. 따라서 각국은 장기적 으로 화석연료를 대신할 청정에너지원을 

개발하는 한편, 단기적으로 유해물질 처리 기술을 개발하여 청정 환경 확보 에 주력 

중이다.

 

   청정에너지 개발 및 유해물질 처리 기술 확보를 위해서는 고상, 액상, 기상의 대상

물질의 포획, 분해, 분리, 전환, 저장 등 고도 공정 개발이 필수적이다. 특히 공정 성

능은 핵심소재 특성에 의존하므로 핵심소재의 고성능화는 청정 에너지 개발 및 유해

물질 처리 기술 개발의 핵심이다.

 

   최근 21세기를 이끌어갈 4대 기술을 꼽으라면 누구나 주저 없이 정보전자 관련 기

술 (IT), 생체 및 유전과학 관련 기술 (BT), 에너지 환경 관련 기술 (ET), 그리고 나

노기술 (NT)을 꼽는다. 그 중 NT는 IT, BT, ET 실현을 위한 근간 기술로써 소재 구

조 및 화학 조성을 나노미터(10-9 m) 단위로 제어하는 기술이다. 본 기고에서는 ET 

중에 청정에너지 개발 및 유해물질 처리 기술과 관련된 핵심 나노소재를 소개하고

자 한다.

 

   청정에너지 개발 및 유해물질 처리 기술 개발을 위한 공통 핵심소재는 대상물질

을 흡착 포획하는 흡착소재, 대상물질 을 분해하는 촉매소재, 혼합 대상물질 중 특

정 성분을 선택적으로 통과시키는 분리막소재로 분류할 수 있다.

 

   흡착소재는 물리, 화학적으로 표면 또는 내부에 대상물질을 포획 저장할 수 있는 

소재로, 특정 온도 및 압력에서 대상 물질을 흡착 또는 방출한다. 흡착소재는 그 흡

착원리에 따라서 물리 흡착소재와 화학 흡착소재로 분류된다.

 

   물리 흡착소재는 흡착제 표면에 반데르 발스 결합 등 물리적 결합에 의하여 대상

물질을 포획하는 고비표면적 소재로, 결정성 기공구조를 갖어 기공경 분포가 좁은 

소재와 소재를 이루는 일차입자의 무질서한 배열에 의해 기공이 형성되어 기공경 분

포가 넓은 소재로 분류할 수 있다. 전자의 대표적 예는 제올라이트(Zeolite), AlPO4, 

탄소나노튜브(CNT) 등이 있고, 후자의 대표적 예는 활성탄(Activated Carbon), 비

정질 실리카(Silica),등이 있다. 그림 1에 MCM-41 제올라이트와 CNT 투과전자현미

경 사진을 나타내었다.

 

(a) (b) 

  

(그림 1) ZSM-41과 CNT 

 

 

   MCM-41 제올라이트는 기공경이 약 3 nm인 결정성 메조포러스 소재이고(그림 1

(a)), CNT는 내경이 약 10 nm인 튜브형 소재이다(그림 1(b)). 물리 흡착소재의 대

상물질 흡착성능은 비표면적뿐만 아니라 기공부피, 그리고 기공크기에 의 존한다. 

따라서 현재 물리 흡착소재 연구 동향은 비표면적 및 기공부피 증진 기술과 대상물

질의 흡착 선택성을 증진 하기 위해 엄격한 기공경 제어 기술 개발에 집중되고 있다.

 

   화학 흡착소재는 결정격자 또는 비정질 골격 내에 대상물질이 도핑 또는 흡수되

는 소재와 화학반응에 의해 표면 및 내부에 제 2 화학상을 형성하여 대상물질을 포

획 및 저장하는 소재로 분류될 수 있다. 전자의 대표적 예는 리튬 이 차전지 전극용 

소재인 Li 치환형 Li-Co, Li-Ni, Li-Mn계 산화물, 흑연 등이 있고, 후자의 대표적 예

는 수소 저장용 금속수소화물, SOx 제거용 티탄아연산화물, CO2 포획용 금속탄산

화물 등이 있다. 그림 2에 리튬이차전지 전극간의 리튬 치환 과 금속 수소화물의 수

소 저장에 대한 모식도를 나타내었다.

 

  

  

(그림 2) 리튬 Intercalation 및 수소저장 

 

 

   리튬 이차전지의 양극과 음극 소재는 리튬 이온을 격자 층간 공극에 저장 방출한

다(그림 2(a)). 또한 금속 수소화물은 수소 원자를 격자간 빈자리에 저장하다가 일

정 수소 농도가 증가하면 수소화물 형태의 제 2 화학상을 형성함으로써 수소를 저장

한다.

 

   현재 흡착소재는 대체에너지 개발 및 유해물질 처리 분야에 있어서 유해물질

(VOCs, PCDD/Fs, HC, SOx, CO2) 포획용으로, 리튬이차 전지의 전극용으로, 차세

대 에너지원인 수소 저장용으로 활용되고 있고, 청정환경 확보 를 위해 고성능화 기

술 개발 필요하다.

 

   촉매소재란 어떤 화학반응에 직접적으로 참여하지 않으나 그 화학반응 진행을 위

한 에너지 장벽을 낮추는 물질로 화학반 응을 촉진하는 소재이다. 일반적으로 촉매

는 원유로부터 원하는 물질을 분리하거나 또는 분리된 물질을 새로운 물질로 합성하

는 석유 정제 및 화학 산업에서 널리 이용된다. 또한 태양, 물, 천연가스로부터 전기

와 수소 등 청정에너지를 생산 하거나 또는 유해물질을 분해하여 무해한 물질로 변

환하는 분야에 이용된다.

 

   촉매소재 특성은 촉매반응을 위한 활성자리 수와 각 활성자리의 활성도에 의존한

다. 따라서 촉매의 비표면적, 입자크기, 결정상, 표면구조, 화학구조 등 특성 제어 기

술은 촉매의 활성도 및 안정성에 큰 영향을 준다.

 

   청정에너지 생산용 촉매소재로는 물분해용 TiO2 광촉매, 태양전지용 TiO2 촉매, 

천연가스 및 합성가스로부터 수소 생산을 위한 Al2O3, CeO2, CaO, ZrO2, La2O3 지

지촉매에 Pd, Rh, Ru, Pt, Ir, Ni 등 귀금속이 도입된 촉매, 연소 효율 증진을 위한 촉

매 연소용 촉매 등이 있다. 유해물질 분해용 촉매로는 HC, CO, NOx 동시제거용 자

동차 삼원촉매인 세라믹 허니컴 및 기판위에 코팅된 Pt, Rh, Pd 귀금속 촉매, 연소 

및 소각 배가스로부터 NOx 제거를 위한 TiO2-V2O5-WO3 촉매, 소각 배 가스로부

터 다이옥신 제거를 위한 TiO2-V2O5-WO3, TiO2-CrOx 촉매, 연소 및 소각 배가스

에서 SOx 제거를 위해 사용되는 Al2O3, MgAl2O4, Mg2Al2O5 지지촉매에 도입된 

CeO2, Pt, V2O5 촉매 등 매우 다양하다.

 

   그림 3에 TiO2 지지촉매에 도입된 5 nm 크기의 Au 촉매의 투과전자현미경 사진

을 나타내었다. 일반적으로 귀금속 촉매의 활성도는 지지촉매인 TiO2 및 귀금속 촉

매의 크기, 형상, 결정상 등에 의존한다. 귀금속 촉매의 활성도는 입자크기가 약 5-

10 nm 이하일 경우에 최대값을 보인다. 귀금속 촉매 뿐만 아니라 산화물계 촉매도 

각 성분의 형상, 크기, 결정상 등에 의존하므로 촉매 특성을 고도로 제어할 필요있

다.

 

 

(그림 3) Au-TiO2 나노촉매 

 

 

   최근 촉매 연구 동향은 산화물 촉매의 나노구조화에 기초한 고비용 귀금속 촉매 

대체용 산화물계 촉매 개발, 저온 활성도 증진 기술 개발, 열적 화학적 안정성 확보 

기술 개발에 집중되고 있다.

 

   분리막 소재란 혼합 대상물질에서 한 성분만을 선택적으로 투과시켜 혼합 대상물

질 각 성분을 분리할 수 있는 소재이다. 분리막 소재는 분리 대상물질 종류에 따라

서 기체, 액체, 고체 분리막 소재로 분류할 수 있다. 특히 대상물질인 고체인 경우, 

분리막 소재는 필터(filter)란 용어로 불린다.

 

   기체 분리막 소재는 기공을 활용하는 다공성 분리막 소재와 흡수 및 이온전도를 

이용한 치밀한 분리막 소재로 분류할 수 있다. 또한 다공성 분리막 소재는 표면확

산, 분자체 가름, 활성확산 분리막으로, 치밀 분리막 소재는 이온확산과 흡수 분리막

으로 분류할 수 있다. 

 

   표면확산 분리막은 다공성막의 기공벽에 기체가 흡착된 후 표면 농도구배의 영향

으로 확산, 이동하는 속도 차이를 이용 하여 기체를 분리하는 분리막 소재이다. 그

림 4에 기공크기가 약 0.7 nm인 Na-Y 제올라이트 분리막에 대한 주사전자현미 경사

진을 나타내었다. Na-Y 제올라이트 분리막은 기공크기가 0.7 nm임에도 불구하고 

분자 크기가 약 0.4 nm인 N2와 CO2에 대한 분리 성능이 우수하다. 이는 CO2가 

Na-Y 제올라이트 기공벽에 흡착성이 우수하여 CO2는 표면확산에 의해 기공을 잘 

통과하는 반면, 기공벽에 흡착성이 낮은 N2는 흡착된 CO2의 방해로 거의 통과하지 

못하기 때문이다.

 

 

 

(그림 4) Na-Y 제올라이트 분리막 

 

 

   분자체 가름 분리막은 엄밀한 의미로 특정 크기 이상을 갖는 분자들은 전혀 통과

되지 않고 특정 크기 이하의 작은 분자 들은 자유롭게 통과하는 소재이다.

활성확산 분리막은 기공크기가 분자크기 수준으로 작아져서 기공벽면의 강한 인력

을 받은 상태에서 각 성분 분자들의 확산 속도 차이에 의하여 특정 분자를 분리하는 

소재이다. 이온확산 분리막은 고온에서 이온의 확산 현상을 이용하여 기체를 분리하

는 소재로 대표적인 예는 산소 투과막인 LaCoO3, LaGaO3 등이 있다. 또한 흡수형 

분리막 소재는 결정질 또는 비정질 분리막 소재에 한 성분이 선택적으로 도핑 또는 

흡수되어 이동 분리되는 소재이다.

 

   현재 분리막 기술은 유해물질 분리 분야, 연료전지용 연료 분리 분야 등 다양하게 

연구되고 있으나, 공통적으로 선택도 및 투과도 증진 연구, 고온 안정성 분리막 개

발, 내화학성 및 내구성 증진 기술 개발에 집중되고 있다.

 

   최근 청정에너지 개발 및 유해가스 처리 기술의 고기능화 요구가 증가하면서 지금

까지 언급한 흡착, 촉매, 분리막 등의 단일 소재로는 원하는 성능 확보가 어렵게 되

었다. 따라서 흡착, 촉매, 분리막 소재 기능이 혼합된 혼성소재에 대한 연구가 활발

히 진행되고 있다. 혼성소재란 흡착, 촉매, 분리막 소재 기능이 혼합되어 발현되는 

소재이다. 대표적인 예는 촉매-분리막 소재와 촉매-흡착 소재 등이 있다. 그러나 그

림 4에 나타낸 표면확산 Na-Y 제올라이트 분리막의 경우도 원리 적으로는 흡착과 

분리막 기능이 혼성된 소재라 하겠다. 그림 5에 Pt계 촉매분리막 소재의 주사전자현

미경사진을 나타내었다. 촉매 분리막 소재는 왼쪽부터 촉매층, 분리막층, 지지체층

으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 따라서 촉매층에서 생성된 특정 분자는 분리막 층

과 지지체층을 통하여 분리된다.

 

 

(그림 5) Pt계 촉매 분리막  

 

 

   지금까지 청정 환경 확보에 활용되고 있는 나노소재에 대해 소개하였다. 현재 청

정 환경용 나노소재 연구 동향은 흡착량, 촉매활성도, 분리투과도 증진기술, 흡착, 

촉매, 분리의 선택도 증진기술, 내화학성, 내열성 등 장기 안정성 확보기술, 타 기능 

부여기술 개발로 요약할 수 있다. 이는 환경정화용 흡착소재, 촉매소재, 분리막소재

의 물리, 화학적 구조의 나노 단위 제어 없이는 실현될 수 없다. 따라서 21세기 국가 

기반기술로 자리 잡고 있는 청정에너지 개발 및 유해물질 처리 기술 확보를 위해서

는 환경정화용 핵심 나노소재 개발에 집중 투자 및 연구 필요하다.