촉매
1. 개요
觸媒 / Catalyst
IUPAC 정의에 따르면, “촉매란 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 증가시켜 주는 물질"을 뜻한다.[1]
'반응과정에서 자신이 변화하지 않는다'는 오해가 있는데 실제로는 '반응과정에서 소모되지 않는다'일 뿐이다. 촉매의 반응에서 상변화 및 다양한 비활성화(deactivation) 현상이 발견 되는데 이는 촉매 자신이 변화 한다는 말임을 대신한다.
실제로 고등학교 화학Ⅱ 교육과정에서 '반응 메커니즘'이란 걸 배우는데 이걸 배우게 되면 촉매가 어떤 원리로 화학반응의 속도를 바꾸는지 알 수 있다. 간단하게 설명하자면, 화학반응의 앞 단계에서 반응에 참여하여 다른 모습으로 바뀐 뒤 뒷 단계에서 반응에서 빠져나오면서 원래 모습으로 돌아오는 방식이다. 이것을 간단하게 표현해서 '반응 경로를 바꾼다' 라고 표현한다.
이러한 촉매의 성격을 이용해서 특정 사건이나 현상이 발생하는데 도움을 주는 요소를 촉매라고 비유하기도 한다. (예시:'그 폭행 사건은 전국적인 항의 시위를 일으키게 한 촉매가 되었다')
2. 촉매의 비활성화와 그 억제법
촉매도 수명이 있으며, 시간이 지남에 따라 촉매의 활성이 떨어져 처음 촉매를 넣었을때 보다 속도가 느려지게 된다. 촉매 비활성화의 원인으로는 노화로 인한 표면적 감소, 코크스화(촉매 표면에 코크 침적이 발생해 활성점이 감소한다.) 및 촉매독에 의한 비가역적 화학흡착, 열 및 물리화학적인 특성 변화로 인한 활성점에 영향 등이 있다.
이를 억제하기 위해 촉매에 조촉매를 첨가 하기도 하며, 촉매 재생공정을 통해 촉매 재생을 하여 재사용하는 방법 등이 있다.
3. 분류
-불균일촉매(Heterogeneous catalyst)
-균일촉매(Homogeneous catalyst)
불균일촉매에서의 반응
외부에서 촉매로의 물질전달-촉매 입자로의 확산-촉매표면 활성점의 반응물 흡착-활성점에서의 표면반응-활성점에서의 생성물 탈착-세공등을 통해 확산-외부로 물질전달
4. 저해제
반대로 더디게 만드는 것을 저해제(inhibitor)라고 한다.[2] 화학자 베르셀리우스가 처음 발견했는데 당시에는 무시당했다가 후에 오스트발트가 다시 발굴하면서 주목을 받게 되었다.
5. 반응 속도론
화합물이 성공적으로 화학반응을 일으키기 위해 필요한 에너지의 양을 줄여주는 역할을 한다. 비유하자면 촉매 없이는 산을 넘어서 가야 할 목적지까지 뚫려 있는 터널이라고 생각하면 되겠다. 이 때문에 똑같은 상태에서 화학반응에 필요한 물리적 조건을 충족시키는 물질의 양이 많아지고 화학반응 속도가 빨라지는 것이다. 그렇기 때문에 촉매의 영향이 큰 화학반응의 경우 상온에서는 전혀 반응이 없다가 촉매를 넣어야 반응이 시작하기도 한다.
그러나, 반응이 빠르다고 무조건 좋은 것은 아니다. 예를 들어 A(반응물;100원)->B(중간생성물;1만원)->C(최종생성물;300원)의 반응 경로를 통해 진행 되는 반응의 경우 B를 선택적으로 얻고자 한다면 반응이 빨라서 A->C으로 빠르게 진행되는 것 보다 진행 속도를 조금 늦추거나 조절 하여, B를 선택적으로 높이는 것이 유리한 경우도 있다. 100원짜리로 300원 가는 반응 보다, 100원 짜리로 1만원짜리 물건 만들어 파는게 더 이득이다.
반응 속도에 영향을 주는 활성화 에너지를 유일하게 바꿀 수 있는 요인이다. 온도 또한 반응 속도에 영향을 주지만, 온도를 높이는 것은 활성화 에너지 이상의 입자 수를 늘리는 것이고 촉매는 활성화 에너지 자체를 바꾼다. [3] 이 과정에서 화학반응을 거치기는 하기 때문에 화학적으로는 변화지 않아도 물리적으로는 색깔 등이 변하기도 한다.
그러나, 촉매 공정의 관점에서 반응 온도를 무조건 높인다고 좋은 것은 아니다. 온도를 높임으로써 원하는 물질의 선택도가 감소될 수도 있으며, 촉매 비활성화를 증진 하여 촉매의 활성이 급격히 떨어 지는 경우도 발생 하며 가열하기 위한 공정 비용이 증가 하는 단점이 있다. 적당히 오래 가는 것이 좋은 것이다. 이에 차라리 촉매를 더 넣어서 원하는 물질을 더 많이 만들기도 한다. 즉, 공장에서 50명이 일하는데, 공장 키워서 100명 일하게 하는 것이다. 50명에 열 가열 해서 일하다 다 퍼져서 일 못하는 것 보다(여름철 에어컨 안틀어주고 노예 부리는거랑 똑같다고 생각하면됨), 알바 늘려서 노예 부리는게 더 이득이다. 그러나 이의 전제 조건은 알바가 너무 비싸면 안된다.
정반응 뿐 아니라 역반응에도 똑같이 영향을 주기 때문에 화학적 평형을 이루는 화학반응의 경우 평형 위치에는 전혀 영향을 주지 않고 평형에 도달하는 속도만 달라진다.
6. 생물학의 효소
생물학에서 중요한 요소인 효소도 생체 촉매의 일종이다.
7. 특성 평가 도구
BET, XRD, TPR/D/O, TEM, SEM, TGA 등이 많이 이용된다.
8. 광촉매
빛을 받았을때 촉매 역할을 하는 물질. 산화티타늄(TiO2)같은 물질이 있다.
9. 촉매의 활용 예
9.1. 석유화학
연료의 탈황을 위해 백금계 촉매를 통과시켜 접촉 개질을 한다.
9.2. 연료전지
9.3. 자동차 배기 정화장치
영어로는 Catalytic Converter라고 표기하며, 줄여서 Cat이라고도 부른다. 세라믹 재질[4]의 담체에 백금과 로듐, 팔라듐 등의 귀금속을 적절히 선택, 조합하여 코팅해서 만든다. 내연기관의 배기계에 부착되며, 이것을 통과하는 배기가스 속의 유해물질을 산화/환원시킨다.
가솔린 엔진의 경우 미연소 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 질소산화물(NOx)과 반응시켜 덜 유해한 성분(물, 이산화탄소, 질소)으로 변환하는데, 이 때 탄화수소의 산화, 일산화탄소의 산화, 질소산화물의 환원 이렇게 세가지 반응이 동시에 일어나기 때문에 삼원촉매라고 부른다.[5] 이러한 역할을 제대로 하려면 활성화 온도에 도달해야 하는 관계로 엔진이 식어있을때 시동을 건 직후에는 제대로 정화를 수행하지 못한다. 이 때문에 담체의 내열성능이 개선된 이후에는 장착위치를 배기 매니폴드의 최전방에 장착하거나, 가로배치 엔진의 배기 매니폴드를 엔진 뒤쪽으로 배치해서 빨리 온도가 올라가도록 한다. 배기량이 큰 차량은 2차촉매를 두기도 한다. 커먼레일방식의 디젤 엔진 역시 DOC라는 산화촉매를 DPF앞에 설치한다.
2000년대 이후 세계적으로 OBD2가 표준화된 이후에는 산소센서가 촉매 입구와 출구에 하나씩 붙어있으며, 전단 산소센서는 공연비 제어를, 후단 산소센서는 촉매의 상태를 모니터링 하는 역할을 한다.
당연하지만 떼면 불법이다. 떼어버리면 성능체감은 확실하지만 그만큼 오염물질도 엄청 많이 나오기 때문. 최근 출시되는 차량들은 떼어버릴시 아예 시동이 걸리지 않게 세팅하기도 한다.
[1] A substance that increases the rate of a reaction without modifying the overall standard Gibbs energy change in the reaction.[2] 부촉매(negative catalyst)로 알고 있는 사람들은 과거 고등학교 과학의 7차 교육과정 세대(~13학번)에 해당할 가능성이 높다. 촉매 자체가 이미 촉진의 의미를 담고 있기 때문에 언어학적으로 보아도 쓰기가 애매하다는 점이 있다. 이 때문에 2009 개정 교육과정(14학번~) 이후로 부촉매는 쓰이지 않는 표현이 되었다. 당연히 이와 상대적인 관계를 이루는 정촉매 역시 촉매로 통합되어 이젠 쓰이지 않는다.[3] 비유하자면, 온도를 높이는 것은 학생들을 공부시켜서 A를 받는 학생 수를 늘리는 것이고 촉매를 사용하는 것은 A의 기준(ex:90점->70점)을 낮추는 것이다.[4] 일부 고성능 차량의 경우 배기 저항을 줄이려고 담체의 벽이 얇은 스테인레스 포일을 꼬불꼬불 접은 형태(Corrugated)의 담체를 쓴다[5] 귀금속 세종류를 사용한다고 삼원촉매가 아니다. HC의 경우 챠콜 캐니스터나 인테이크 에어필터로도 걸러내는게 가능하기에 이원(二元)촉매를 붙히는 경우도 있다.