KR101305182B1

KR101305182B1 - 귀금속을 활용한 고성능 촉매

Info

Publication number: KR101305182B1
Application number: KR1020100120937A
Authority: KR
Inventors: 이효경
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2013-09-12
Also published as: EP2457654A1; KR20120059266A; JP5878700B2; US20120135859A1; CN102476059A; US8178469B1; JP2012115824A

Abstract

본 발명은 귀금속을 활용한 촉매로서 담체에 귀금속이 포함된 촉매를 코팅하여 제작하는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서, 상기 담체는 중기공을 갖는 구조체인 귀금속을 활용한 촉매를 제공하여,
귀금속 입자가 골고루 분산되어 반응 표면적을 크게 할 수 있고, 황피독된 담체의 소결시에는 구조체 채널의 한 쪽 입구가 막히더라도 채널의 반대 쪽의 입구를 통해 배기가스가 출입할 수 있도록 하여 활성을 갖도록 하는 효과가 있다.

Description

귀금속을 활용한 고성능 촉매{HIGHLY EFFICIENT CATALYST BY USING PRECIOUS METAL}

본 발명은 귀금속을 활용한 촉매에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 귀금속 불용 영역의 발생을 방지하기 위하여 귀금속의 담체로 중기공을 가진 3차원 구조체를 사용하여 배기가스의 확산을 개선시키는 귀금속을 활용한 고성능 촉매에 관한 것이다.

최근, 자동차의 이용이 증가하고 교통량이 증가함에 따라 배기가스로 인한 대기오염의 문제가 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 따라서, 각 국의 정부는 배기가스 규제를 위하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 배기가스 내 오염물질에 대한 배출기준을 정해놓고 있으며, 이러한 배기가스 규제는 점차 강화되고 있는 추세이다.

통상적으로, 자동차의 배기 가스로부터 유해한 물질을 제거하기 위하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속이 코팅된 촉매를 사용하여 왔다. 이러한 촉매는 배기계에 장착되어 탄화수소의 분해, 일산화탄소의 산화 및 질소산화물의 환원을 촉진시킴으로써 배기가스로부터 유해한 성분을 제거하고 배기 가스를 정화시킨다.

배기가스 정화 촉매로서 담체에 귀금속이 균일하게 코팅된 균일 코팅 촉매가 공지되어 있다.

종래의 자동차 배기가스 정화용 촉매의 경우 촉매와 배기가스의 접촉 면적, 즉 반응 표면적을 증가시키기 위해 허니컴(honeycomb) 형태의 담체에 고가의 귀금속이 포함된 촉매물질을 코팅하여 제작한다. 허니컴 담체의 단위셀은 직사각셀(square cell)을 사용하였다.

그러나, 직사각셀의 경우 촉매를 코팅하게 되면 도 1에 도시된 바와 같이, 코너에 촉매 물질이 많이 존재하게 되어 촉매층(14)이 두터워진다. 반응물(16)인 배기가스 중 유해한 CO, HC, NOx는 촉매층으로 확산되어 들어가 귀금속(Pt, Pd, Rh)과 접촉하여 무해한 물질로 전환되는데, 코너의 깊은 위치에 존재하는 촉매의 경우 CO, HC, NOx가 확산되어 들어가지 못하는 귀금속 불용 영역(15)인 데드 존(Dead zone)이 되고 데드 존에 존재하는 귀금속은 반응에 참여하지 못하게 된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 배기가스가 확산되어 들어가는데, 귀금속 불용 영역(15)까지는 확산되지 못하므로, 귀금속 불용 영역(15)에 존재해 있던 귀금속은 반응에 참여하지 못하게 된다.

상기의 문제를 해결하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 육방형셀(hexagonal cell)(20)이 고안되었으나, 육방형셀(20)의 경우에는 직사각셀(10)에 비하여 등방강도가 약하여 사용량이 적다.

또한, 도 3은 종래의 촉매를 도시한 것으로서, 도 3의 a는 반응물의 확산경로를 도시한 것이고, 도 3의 b,c,는 각각 신품촉매와 열화촉매를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래에는 지지체(50)를 무정형(amorphous)의 분말을 사용하여 촉매층의 밀도가 높아져 배기가스의 확산이 악화되어 귀금속 불용 영역(15)이 발생하였을 뿐만 아니라, 귀금속이 소결(50a)되거나 배기가스 중의 황(sulfur)과 반응하여 피독된 후 소결(55)되면 반응 표면적을 줄이고 기공을 막아서 불용 귀금속(50b)이 발생되게 되는 문제가 있었다.

미설명 부호 12는 셀벽이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 귀금속 담체로 중기공을 가진 구조체를 활용하여 구조체에서의 기공 발생으로 배기가스의 확산이 개선되도록 하는 귀금속을 활용한 고성능 촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 담체에 귀금속이 포함된 촉매를 코팅하여 제작하는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서, 상기 담체는 중기공을 갖는 구조체인 귀금속을 활용한 촉매를 제공한다.

본 발명에 따른 실시예의 구조체는 복수의 채널을 가지며, 상기 복수의 채널은 브릿지에 의해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 구조체는 채널의 양쪽을 통해 반응물이 출입할 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 한다.

본 발명에 따른 실시예의 구조체는 MCM 계열, SBA 계열이고, 메조다공성 실리카 또는 메조다공성 알루미나인 것을 특징으로 하는 귀금속을 활용한 촉매.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 귀금속 입자가 골고루 분산되어 반응 표면적을 크게 할 수 있고, 황피독된 담체의 소결시에는 구조체 채널의 한 쪽 입구가 막히더라도 채널의 반대 쪽의 입구를 통해 배기가스가 출입할 수 있도록 하여 활성을 갖도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 정방형 담체의 단위 셀의 모식도이다.
도 2는 종래의 육방형 담체의 단위 셀의 모식도이다.
도 3은 종래의 촉매의 구조로서 신품촉매와 열화촉매의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 중기공 구조체의 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다.

이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 이하에서는 본 발명과 종래 기술의 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 실시예의 3차원의 중기공을 갖는 구조체의 사시도이다.

본 발명에 따른 실시예에서는 귀금속의 담체로서 중기공을 갖는 구조체(100)를 사용하여 배기가스 확산 개선을 통해 데드 존(Dead zone)인 귀금속 불용 영역(15)을 최소화함으로써 반응에 참여하지 않는 귀금속의 양을 최소화하여 고가의 귀금속의 낭비를 막기 위한 발명이다.

이를 위하여 귀금속의 담체로 복수의 채널을 갖는 중기공의 구조체(100)를 사용한다.

상기의 중기공의 구조체(100)는 MCM 계열이나 SBA 계열을 사용한다.

상기 MCM 계열의 구조체(100) 중 MCM-41은 마이크로 콜로이달 결정 템프리트(micro-colloidal crystal templating) 방법을 이용하여 거대다공성 실리카(well ordered macroporous)를 합성하여 제조하고, SBA 계열의 구조체(100) 중 SBA-15는 제조방법의 일례로서 유화중합법에 의해 고분자 구형입자를 합성하고, 합성된 고분자 구형 입자를 자기조립시켜 규칙적으로 배열시킨 후 염산 수용액과 삼블럭 중공합체(triblock copolymer)의 혼합물인 모액과 혼합시켜 균일한 상태의 기공이 형성된 구형입자의 템플릿을 얻어서 이를 건조 및 소성하여 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 실시예의 구조체(100) 중 SBA-15는 실리카를 소스로 하여 제조되는 메조다공성 구조체인데, 이는 산성 매질 속에서 친양쪽성 블록 중공합체를 이용하여 수열적으로(hydrothermally) 안정하고, 5~50nm 크기의 기공을 갖는다.

참고로 마이크로(micro), 매크로(macro) 및 메조(mezo)라 함은 각각, IUPAC 정의에 따라, 2nm 이하의 기공크기를 "마이크로", 50nm 이상의 기공 크기를 "매크로", 그 사이의 기공 크기, 즉 2 nm를 초과하고 50 nm미만의 기공 크기를 "메조"라고 정의된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 메조다공성 실리카 또는 메조다공성 알루미나를 사용하였다.

상기의 중기공의 구조체(100)에 관한 사항은 본 발명이 속하는 기술분야에서 이미 공지된 사항으로서 구체적인 제조 방법에 관해서는 설명을 생략하기로 한다.

이하에서는 상기의 중기공의 구조체(100)에 대해 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 중기공의 구조체(100)는 복수의 채널(110)을 가지며 상기 채널(110)은 서로 브릿지(120)에 의해 연결되어 있다. 이 때, 채널(110)의 양 입구는 배기가스가 출입할 수 있는 구조로 되어 있으며, 드물기는 하지만 크기가 작은 귀금속 분말이라면 브릿지(120)를 통해 이동할 수도 있다.

상기와 같은 구조체(100)를 담체로 사용한 촉매가 차량에 장착되어 사용되면 귀금속 입자가 뭉쳐 소결되어 반응표면적이 감소하여 활성이 감소되는 것을 방지할 수 있고, 황에 피독된 담체의 소결시 중기공의 입구가 막혀 기공내의 귀금속이 불용 상태가 되는 것을 방지하여, 한 쪽의 채널(110) 입구가 막히더라도 다른 쪽의 채널(110) 입구를 통하여 가스상 반응물이 출입할 수 있어 여전히 활성을 갖도록 한다.

이 때, 귀금속은 구조체(100) 내에서 골고루 분산(50c 참조)되어 있어 반응 표면적이 커 활성이 우수하다.

이 때, 셀벽(12)은 코디어라이트(Cordierite)와 같은 물질을 사용할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 복수의 채널(110)이 서로 연결됨과 동시에 양 쪽의 채널(110) 입구를 통하여 가스상 반응물이 출입할 수 있도록 하여 배기가스의 확산을 개선하고 최적의 귀금속량을 사용하도록 하여 그 사용량을 최소화할 수 있도록 하였다.

10: 직사각셀 12: 셀벽
14: 촉매층 15: 귀금속 불용 영역
16: 반응물 20: 육방형셀
40: 귀금속 50: 지지체
50a: 소결된 귀금속 50b: 불용 귀금속
50c: 분산된 귀금속 55: 소결된 담체
100: 중기공 구조체 110: 채널
120: 브릿지

Claims

담체에 귀금속이 포함된 촉매를 코팅하여 제작하는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 있어서,
상기 담체는 중기공을 갖는 구조체이며, 상기 구조체는 복수의 채널을 가지며, 상기 복수의 채널은 브릿지에 의해 서로 연결되어 채널의 양쪽을 통해 반응물이 출입할 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 귀금속을 활용한 촉매.
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제1항에 있어서,
상기 구조체는 MCM 계열 또는 SBA 계열인 것을 특징으로 하는 귀금속을 활용한 촉매.
제4항에 있어서,
상기 구조체는 메조다공성 실리카 또는 메조다공성 알루미나인 것을 특징으로 하는 귀금속을 활용한 촉매.