삼원촉매장치

왜 배우는가: 삼원촉매장치는 가솔린 자동차의 배출가스 규제를 맞추는 핵심 후처리 장치이다. 연소 조건만으로는 세 오염물질을 동시에 줄이기 어려워 촉매의 반응 원리를 알아야 답안의 논리가 맞는다. 공기비 제어, 촉매 활성 온도, 산소저장능력은 답안에서 공통으로 요구되는 쟁점이다.

출제 이력: 제111회 1교시 1번, 제93회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

삼원촉매장치는 가솔린 엔진 배출가스의 CO, HC, NOx를 하나의 촉매 층에서 동시에 저감하는 후처리 장치이다.

삼원촉매장치는 자동차 배기관에 설치되어, 엔진에서 나온 배기가스가 촉매 표면을 지나면서 유해 성분을 덜 해로운 물질로 바꾸는 장치이다. '삼원(三元)'이라는 이름은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 세 가지 오염물질을 동시에 처리한다는 뜻에서 붙었다. 세 물질을 한 장치에서 처리하려면 산화 반응과 환원 반응을 같은 촉매에서 함께 일으켜야 하며, 이것이 이 장치의 핵심 원리이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 삼원촉매
• 귀금속 촉매
• 산화 반응
• 환원 반응
• 이론공연비
• 산소저장능력
• 허니컴 담체

이 장치는 가솔린 자동차의 기본 후처리 장치로 쓰인다. 반면 디젤 엔진은 배기가스에 산소가 많아 환원 반응이 억제되므로 같은 방식으로 NOx를 줄이기 어렵고, 그래서 선택적촉매환원법 같은 별도 기술이 쓰인다. 두 방식의 적용 범위를 산소 조건으로 구분해 두면 답안의 논리가 분명해진다.

2. 개념 풀이

삼원촉매장치의 정식 정의는 다음과 같다. 세라믹이나 금속 담체 표면에 백금, 로듐, 팔라듐 같은 귀금속을 얇게 입힌 촉매를 이용하여, 배기가스 중 CO와 HC는 산화시켜 이산화탄소와 물로 바꾸고 NOx는 환원시켜 질소와 산소로 바꾸는 장치이다. 삼원촉매는 CO와 HC를 산화하고 NOx를 환원하여 세 물질을 동시에 저감한다.

원리는 세 반응이 같은 촉매 표면에서 동시에 진행된다는 데 있다. 산화 반응은 CO와 HC가 산소와 결합하여 CO₂와 H₂O가 되는 반응이고, 환원 반응은 NOx가 CO 같은 환원성 가스에 산소를 빼앗겨 질소가 되는 반응이다. 식으로 쓰면 2CO + O₂ → 2CO₂ 와 2NO + 2CO → N₂ + 2CO₂ 이다. 두 반응은 서로 요구하는 산소 조건이 반대이므로, 산화와 환원이 함께 유지되려면 산소 농도를 일정 범위로 묶어야 한다.

그 기준이 이론공연비이다. 가솔린 엔진의 이론공연비는 공기와 연료의 질량비가 14.7:1 부근인 지점이며, 이때의 공기비를 λ = 1로 본다. 공기비가 1보다 작으면 농후(rich) 상태로 산소가 부족하고, 1보다 크면 희박(lean) 상태로 산소가 남는다.

농후 영역에서는 산소가 부족하여 CO와 HC의 산화 효율이 떨어지지만 NOx 환원은 양호하다. 희박 영역에서는 산소가 많아 CO와 HC 산화는 잘 되지만 NOx 환원 효율이 급격히 떨어진다. 세 오염물질의 전환 효율이 모두 높은 구간은 이론공연비 부근의 좁은 창(window)뿐이므로, 공기비를 정밀하게 제어하는 엔진 관리 장치가 필수이다. 이 좁은 창을 넓히는 기능이 뒤에 설명하는 산소저장능력이다.

촉매 반응은 표면이 충분히 뜨거워야 빠르게 일어난다. 귀금속 촉매는 250℃ 이상에서 효과를 내므로, 시동 직후 촉매가 아직 데워지지 않은 구간에서는 배출가스 저감 효과가 낮다. 이 때문에 촉매를 엔진 배기 출구 가까이에 두어 빨리 가열되도록 설계하는 경우가 많다.

삼원촉매는 벌집 모양의 세라믹 담체인 허니컴 담체 구조를 쓴다. 담체의 가는 통로 벽면에 촉매 층을 코팅하여 배기가스와 닿는 표면적을 넓히며, 귀금속은 값이 비싸므로 필요한 양을 최소로 쓰는 것이 설계의 과제이다. 촉매 층에는 희토류 산화물, 특히 세륨 계열 산화물이 들어간다. 이 산화물은 과잉 산소를 머금었다가 산소가 부족할 때 내놓는 산소저장능력을 가져, 공기비가 순간적으로 흔들려도 산화와 환원이 함께 이어지는 범위를 넓힌다.

촉매 성능은 연료와 윤활유 성분의 영향도 받는다. 납이나 황 같은 성분은 귀금속 활성점을 덮어 성능을 떨어뜨리는 피독 현상을 일으킨다. 무연 가솔린과 저황 연료를 써야 하는 이유가 여기에 있다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차 배출가스 규제가 강화되면서 연소 개선만으로는 CO, HC, NOx를 모두 기준 이하로 낮추기 어려워졌다. 연소 온도를 낮추거나 공기 농도를 바꾸면 NOx는 줄어도 CO와 HC가 늘고, 반대로 연소를 완전하게 만들면 NOx가 늘어나는 상충 관계가 생긴다. 그래서 배기관에서 생성된 오염물질을 직접 처리하는 후처리 장치가 필요해졌다.

초기 후처리 장치는 주로 산화촉매였다. 산화촉매는 CO와 HC를 산화시킬 수 있지만 NOx를 환원하지 못하므로 규제를 모두 맞추기에 부족했다. 여기서 산화와 환원을 한 장치로 묶은 삼원촉매가 요구되었다. 미국 기업 연구진이 희토류 산화물과 백금·로듐 조합으로 하나의 촉매 층에서 세 오염물질을 처리하는 설계를 제시한 것이 대표적인 출발점으로 알려져 있다.