휘발유 차량 배기가스 정화를 위한 삼원 촉매는 어떤 반응들을 동시에 일으키나요?

Question

안녕하세요.

휘발유 차량 배기가스 정화를 위한 삼원 촉매는 일산화탄소와 질소산화물, 탄화수소를 한 번에 줄인다고 하는데, 촉매 속의 귀금속과 온도 조건이 어떤 역할을 하는가요?

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

삼원촉매장치는 내연기관 자동차에 필수적인 장치 입니다. 삼원 이라는 단어에서 세가지 오염물질을 제거하는 장치를 말합니다.

질소산화물 / 일산화탄소 / 불완전연소 탄화물 을 산화 환원 원리를 통해 오염물질을 제거 합니다.

질소산화물은 환원시켜 질소와 산소로 분해시키고 일산화탄소에는 산소를 더하는 산화를 통해 이산화탄소로 변화시키고 불완전연소 탄화물에는 산소를 더하는 산화를 통해 물과 이산화탄소로 분해하게 됩니다.

이러한 촉매를 위해서 내부에 귀금속들이 포함되어 있습니다. 산화반응을 위해 백금과 팔라듐을 주로 사용하여 환원 반응에는 로듐이라는 물질이 사용 됩니다.

반응 온도 역시 상온에서는 진행되지 않고 최소 300도 이상이고 최대 800도에서 반응이 일어 납니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)

Answer 2

안녕하세요.

휘발유 차량에 사용되는 삼원 촉매는 이름 그대로 배기가스 속의 세 가지 주요 유해 물질인 일산화탄소, 질소산화물, 미연 탄화수소를 하나의 촉매 장치에서 동시에 줄이도록 설계된 촉매 시스템입니다.

삼원 촉매 내부에서는 크게 세 가지 반응이 병렬적으로 일어나는데요 첫번째는 일산화탄소의 산화 반응으로, CO가 산소와 반응해 이산화탄소로 전환됩니다. 둘째는 미연 탄화수소의 산화 반응으로, 연소되지 않고 남은 탄화수소가 CO₂와 물로 분해됩니다. 셋째는 성격이 다른 질소산화물의 환원 반응으로, NO나 NO₂가 질소와 산소로 분해됩니다.

이처럼 상반된 반응을 동시에 가능하게 하는 핵심이 바로 촉매 속 귀금속의 역할 분담인데요 삼원 촉매에는 보통 백금, 팔라듐, 로듐이 조합되어 사용되는데 백금과 팔라듐은 산화 반응에 매우 뛰어나 CO와 HC가 산소와 쉽게 반응하도록 활성화합니다. 이 금속들은 배기가스 속 산소를 흡착해 반응성을 높여 주는 역할을 합니다. 반면 로듐은 환원 반응에 특화되어 있어, NOx에서 산소를 떼어내 질소 분자로 만드는 데 결정적인 역할을 하며 특히 로듐은 NO 분해 반응의 활성화 에너지를 크게 낮춰 주기 때문에, 삼원 촉매에서 없어서는 안 될 귀금속입니다.

온도 역시 결정적인 요소인데요 삼원 촉매는 보통 약 250~300 °C 이상에서 본격적으로 활성화되며, 이를 흔히 light-off temperature라고 부릅니다. 이 온도 이하에서는 귀금속 표면에서 반응이 충분히 일어나지 않지만, 일정 온도를 넘으면 반응 속도가 급격히 증가하는데요 그래서 냉간 시동 직후 배기가스 정화 효율이 낮고, 주행 후 엔진과 촉매가 충분히 달궈지면 정화 성능이 급격히 좋아지는 것입니다. 반대로 온도가 지나치게 높아지면 귀금속의 소결이나 촉매 담체 열화가 발생할 수 있어, 열 관리 또한 매우 중요합니다. 감사합니다.