[논문]Fuel-Borne Catalyst와 Perovskite로 구성된 복합촉매 시스템에 의한 디젤 탄소입자상 물질의 연소반응: 반응성능과 Perovskite 촉매조성 (La1-x A'xBO3: A' = K, Sr; 0 ≤ x ≤ 1; B = Fe, Cr, Mn)의 상관관계

이대원; 성주영; 이관영

doi:10.9713/kcer.2018.56.2.281

[국내논문] Fuel-Borne Catalyst와 Perovskite로 구성된 복합촉매 시스템에 의한 디젤 탄소입자상 물질의 연소반응: 반응성능과 Perovskite 촉매조성 (La1-x A'xBO3: A' = K, Sr; 0 ≤ x ≤ 1; B = Fe, Cr, Mn)의 상관관계
Combustion of Diesel Particulate Matters under Mixed Catalyst System of Fuel-Borne Catalyst and Perovskite: Influence of Composition of Perovskite (La1-x A'xBO3: A' = K, Sr; 0 ≤ x ≤ 1; B = Fe, Cr, Mn) on Combustion Activity 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.281 - 290

이대원 (강원대학교 화학생물공학부 화학공학전공) , 성주영 (고려대학교 화공생명공학과) , 이관영 (고려대학교 화공생명공학과)

초록
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최근 선진국을 중심으로 고연비-저배출 내연기관 (디젤) 자동차 보급의 필요성이 대두되면서 기존 촉매후처리 장치의 저온성능 강화를 위한 기술적 방안들이 시급히 요구되고 있다. 본 논문에서는 디젤엔진 배출 탄소입자상 물질의 연소반응에 있어 연료함유 촉매(Fuel-Borne Catalyst)와 페로브스카이트(Perovskite)의 복합촉매 시스템이 보이는 상용모델촉매 대비 우수한 저온 연소성능과 이의 Perovskite 촉매 조성에 대한 의존성에 관해 논하였다. Fe/Ce 계열 연료함유 촉매가 A-site 원소(La)에 K이 부분치환되고, B-site 금속이 Fe인 Perovskite 촉매와 복합화될 때 상대적으로 우수한 저온 연소성능 개선효과가 관찰되었다. 이를 관찰하기 위해 연료함유 촉매가 함유되거나 함유하지 않은 탄소 입자상 물질과 다양한 조성의 La 계열 Perovskite 촉매를 혼합한 고정층에 대한 온도상승 산화반응 실험(Temperature-Programmed Oxidation)을 수행하였으며, 이산화탄소 생성과 질소산화물 농도 저하 패턴의 연동특성을 통해 두 촉매의 상호 연계작용을 유추하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the internal combustion engine vehicles of high fuel efficiency and low emission are demanded, it becomes important to procure technologies for improving low-temperature performance of automotive catalyst systems. In this study, we showed that the combustion rate of diesel particulate matter is greatly enhanced at low temperature by applying fuel-borne catalyst and perovskite catalyst concurrently. It was tried to examine the correlation between elemental composition of perovskite catalyst and combustion activity of mixed catalyst system. To achieve this goal, we applied temperature-programmed oxidation technique in testing the combustion behavior of perovskite-mixed particulate matter bed which contained the element of fuel-borne catalyst or not. We tried to explain the synergetic action of two catalyst components by comparing the trends of concentrations of carbon dioxide and nitrogen oxide in temperature-programmed oxidation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 Fe/Ce계 FBC와 Perovskite (La1-x A′xBO3: A′ = K or Sr, 0 ≤ x ≤ 1, B = Fe, Cr, Mn)로 구성된 복합촉매 시스템의 PM 연소성능이 Perovskite 촉매조성에 의존하는특성을 살펴보고, PM 연소메커니즘 상에서 FBC와 Perovskite 촉매가 어떻게 상호상승작용을 만들어 가는지에 관해 논하고자 한다.
이에 본 연구에서는 디젤 PM 연소의 저온 반응속도 개선을 위해 Fuel-Borne Catalyst (FBC)와 Perovskite 촉매를 조합하는 방안을 연구하였다. FBC는 Fe, Ce 등의 금속유기화합물 형태의 연료첨가제로서 디젤연료에 FBC를 일정량 녹인 상태에서 엔진을 운전할 경우, PM 입자 크기가 작아지고 산소조성이 늘어나는 등, 보다 연소반응에 유리한 조건을 갖춘 PM 입자의 생성이 가능하다.

제안 방법

NO_x 배출을 제어하기 위한 후처리촉매 기술로는 SCR (Selective Catalytic Reduction), LNT (Lean NO_x Trap) 시스템이 있으며 PM 배출에 대한 후처리 촉매 기술로는 CDPF (Catalyzed Diesel Particulate Filter), CRT (Continuous Regeneration Trap)가있다. CDPF와 CRT는 백금(Pt)계 촉매를 이용하여 배출가스 중 NO를 NO₂로 산소산화하고, 이 NO₂를 산화제로 이용해 디젤입자상 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)에 포집된 PM을 연소시킴으로써 DPF를 연속적으로 재생(Regeneration)하는 것을 원리로 한다. 하지만 PM의 효과적인 연소를 위해서는 포집-재생 균형 온도(Balance Point Temperature)인 250℃ 이상으로 배출가스 온도를 유지하는 것이 요구되고, 이를 위해서는 엔진내부에 연료를 추가적으로 분사하여 배출가스 온도를 높여주는 조작이 필요한데 이는 차량의 연비를 저하시키는 주요요인이 된다.
연료는 시중에서 구매한 초저유황경유(Ultra-Low Sulfur Diesel, 이하 ULSD, 황함량 < 15 ppm)를 사용했으며, FBC로는 Ce과 Fe가 주된 촉매성분인 Rhodia 사의 DPX-1000을 사용하였다. FBC 혼합량은 FBC+ULSD혼합물에서 Ce 원소 농도가 100 ppm이 되도록 조정하였다. 디젤버너 작동시작 시점을 기준으로 30분 동안 PM 샘플을 채집하였고, 일반 ULSD 연료를 사용하여얻은샘플을 “Model PM,” FBC+ULSD 혼합연료를 사용하여 얻은 샘플을 “FBC Model PM”으로 명명하였다.
Fig. 5~7에 걸쳐 A-site 금속 일부를 K으로 부분치환 시킨 Mn, Cr, Fe 계열 Perovskite 촉매를 이용한 PM의 연소반응 결과들을 제시하였다. 각 그림들에서는 A-site 금속에 K 부분치환이 수행되지 않은, 순수한 La으로만 구성된 Perovskite 촉매의 연소반응 결과가 함께 비교되어 K 부분치환에 따른 연소성능 개선 여부와 그 정도를 판단할 수 있다.
PM - 촉매 혼합물은 PM 샘플(40 mg), 촉매(18 mg), SiC (400 mg, Aldrich: 200-450 mesh)을 몰타르 상에서 15분 동안 ‘긴밀접촉 혼합’(Tight-Contact Mixing) 하여 제작하였으며, 내경 9.6 mm의 석영반응기 중간위치에 고정층 형태로 충전하였다.
PM 샘플들의 원소분석은 원소분석기(Elemental Analyzer, EA, CE Inst.: Flash EM 112)와 유도결합 플라즈마 원자방출분광기(Inductively-Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy, ICPAES, ISA Jobin Yvon: 138 Ultrace)을 이용하여 수행되었다. 입도분석은 Scanning Electron Microscope (SEM, Hitachi: S-4300E)과 Transmission Electron Microscope (TEM, Fei: Tecnai 20) 이미지 상에서 100개 이상의 입자들을 대상으로 수행되었다.
Perovskite 촉매는 증발건조법을 통해 제조하였다. 각 구성금속의 Acetate 전구체 (Aldrich) 수용액들을목표 원소비에해당되는비율로 혼합한 후 회전 농축기(Rotary Evaporator, Eyla: N-1300) 상에서 물을증발시켰다. 회수한침전물을 100℃ 대기조건에서 24시간동안 건조한 후, 대기조건의 고온 소성로에서 400℃에서 1시간, 950℃에서 10시간의 2단계를 거쳐 소성하였다.
디젤버너 작동시작 시점을 기준으로 30분 동안 PM 샘플을 채집하였고, 일반 ULSD 연료를 사용하여얻은샘플을 “Model PM,” FBC+ULSD 혼합연료를 사용하여 얻은 샘플을 “FBC Model PM”으로 명명하였다.
상용 디젤버너 개조를 통해 자체 제작한 PM 제조기를 이용하여, 실재 디젤엔진에서 배출되는 PM과 유사한 물리/화학적 특성을 갖춘 PM 샘플들을 제조할 수 있었다. Fe/Ce FBC가 적용된 100 ppm Ce 농도의 ULSD 연료를 사용해 얻은 FBC Model PM 샘플은 일반 ULSD 연료를 사용해 얻은 PM 샘플에 비해 PM 입자크기가 작고 SOF 함량이 적으며 산소 조성이 더 높았는데, 이는 통상적으로 알려져 있는 FBC 적용에 따른 PM의 물리/화학적 특성 변화의 추세와 일치했다.
PM 고정층에서 반응기체의 체류시간은 GHSV = 20,453/h였다. 연소생성물인 CO, CO₂는 Carboxene1000 컬럼(60-80 mesh, 10 ft, Supelco)과 열전도검출기(Thermal Conductivity Detector, TCD)가 장착된 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC, 영린기기: ACME6000)를 이용하여 정량분석을 수행하였다.

대상 데이터

5 wt% Pt/Al2O3 촉매는 Al2O3 입자(Sumitomo, 평균기공부피 =5 cm3/g,)에 적정농도의 H2Cl6Pt·6H2O (Aldrich, 99.9%) 수용액을함침시킨 후 대기 조건에서 700℃, 3시간 소성하여 제조하였다.
A-site 금속이 순수한 La으로 구성된 LaBO₃(B = Fe, Cr, Mn) 촉매들의 PM 연소반응(TPO) 실험을 Model PM과 FBC Model PM을 대상으로 각각 수행하여 그 결과들을 Fig. 4에 제시하였다.
Fig. 3에 본연구에사용된 촉매들의 XRD 분석결과를 제시하였다 사용된 촉매들은 기본적으로 ABO3 구조의 Perovskite 촉매들로, A 금속은 La이거나 La을 주성분으로 하고 K 혹은 Sr이 부분치환 되어있고 B 금속은 Fe, Cr, Mn 중 하나이었다(La1-x A′xBO3: A′ = K or Sr, 0 ≤ x ≤ 1, B = Fe, Cr, Mn).
PM 샘플의 제조는 40 W 상용 디젤버너(Olympia, SL-3)를 자체적으로 개조한 PM 발생기 상에서 수행되었다. 상용 디젤버너들은 PM 발생량이 기준치 이하가 나오도록 설계되어 있기 때문에 충분한 양의 PM 샘플을 얻기 위해서는 연료 대비 공기 주입량을 줄이는 방향으로 장치의 개조가 필요하였다.
연료는 시중에서 구매한 초저유황경유(Ultra-Low Sulfur Diesel, 이하 ULSD, 황함량 < 15 ppm)를 사용했으며, FBC로는 Ce과 Fe가 주된 촉매성분인 Rhodia 사의 DPX-1000을 사용하였다.
: Flash EM 112)와 유도결합 플라즈마 원자방출분광기(Inductively-Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy, ICPAES, ISA Jobin Yvon: 138 Ultrace)을 이용하여 수행되었다. 입도분석은 Scanning Electron Microscope (SEM, Hitachi: S-4300E)과 Transmission Electron Microscope (TEM, Fei: Tecnai 20) 이미지 상에서 100개 이상의 입자들을 대상으로 수행되었다. PM 샘플의Soluble Organic Fraction (SOF) 정량 분석은 PM 샘플 채취 후 온도 25℃, 상대습도 45%의 항온항습 조건에서 24 시간 동안 샘플을 정치시킨 후, dichloromethane (대정화금, 99.

이론/모형

입도분석은 Scanning Electron Microscope (SEM, Hitachi: S-4300E)과 Transmission Electron Microscope (TEM, Fei: Tecnai 20) 이미지 상에서 100개 이상의 입자들을 대상으로 수행되었다. PM 샘플의Soluble Organic Fraction (SOF) 정량 분석은 PM 샘플 채취 후 온도 25℃, 상대습도 45%의 항온항습 조건에서 24 시간 동안 샘플을 정치시킨 후, dichloromethane (대정화금, 99.8%)을 용매로 이용한 Soxhlet 추출법을 통해 수행되었다.
Perovskite 촉매는 증발건조법을 통해 제조하였다. 각 구성금속의 Acetate 전구체 (Aldrich) 수용액들을목표 원소비에해당되는비율로 혼합한 후 회전 농축기(Rotary Evaporator, Eyla: N-1300) 상에서 물을증발시켰다.
반응실험은 PM 고정층에 반응기체를 흐르게 하는 구조의 SemiBatch Reactor 상에서 Temperature-Programmed Oxidation (TPO) 절차를 통해 수행되었다. PM - 촉매 혼합물은 PM 샘플(40 mg), 촉매(18 mg), SiC (400 mg, Aldrich: 200-450 mesh)을 몰타르 상에서 15분 동안 ‘긴밀접촉 혼합’(Tight-Contact Mixing) 하여 제작하였으며, 내경 9.
제조된 Perovskite 촉매들에 대해서는 Cu-Kα (λ = 1.54056 Å)를 광원으로 이용한 X선 회절 분석법(X-Ray Diffraction, XRD, Rigaku:D/Max-2500VL/PC)을 통해 결정구조를 분석하였고, 질소흡착법을 원리로 한 Brunauer-Emmett-Teller 분석법(BET, Micrometrics: ASAP 2010)를 통해 비표면적을 측정하였다.

성능/효과

또한 TPO 연소실험에서 FBC Model PM은 일반 Model PM 보다 저온에서 높은 연소속도를 보였으며 이를 통해 FBC에 의한 PM 연소 개선효과도 확인할 수 있었다. FBC PM은 Perovskite 촉매들과 조합되었을 때 그 연소속도가 더욱 개선되었는데, A-site 금속이 순수한 La으로 구성된 LaBO₃ (B = Fe, Cr, Mn) 촉매들보다는 K가 부분치환된 촉매들(La_1-xK_xBO₃: B = Fe, Cr, Mn)이 FBC Model PM과 조합되었을 때 저온 연소속도가 더욱 크게 개선되었다. 시도된 Perovskite 촉매들 중 La_1-xK_xFeO₃ 촉매가 가장 우수한 저온 연소속도 개선효과를 보였는데, 상용 DePM 시스템인 CDPF 혹은 CRT의 모델촉매로 적용된 5 wt% Pt/Al₂O₃ 촉매와 Model PM을 조합한 경우보다 TPO 개시온도는 40 ℃, TPO Peak 온도는 100 ℃ 이상이 낮아지는 결과를 보였다.
이는 제조된 PM 샘플들이 입자크기 측면에서 통상적인 디젤엔진 PM 입자와 유사하다고 말할 수 있다[5,6]. TEM 이미지 상에서 100개 이상의 1차 입자들을 대상으로 한 평균입자 크기는 Model PM이 75 nm, FBC Model PM이 69 nm로 FBC의 촉매작용에 의해 연료의 연소반응이 촉진되면서 입자크기의 성장이 소폭 억제되는 것을 확인할 수 있었다. FBC의 첨가효과는 PM 샘플들의 원소성분 및 SOF 분석결과들에서도 확인할 수 있었다.
FBC의 첨가효과는 PM 샘플들의 원소성분 및 SOF 분석결과들에서도 확인할 수 있었다. Table 1의 정량분석 결과에 의하면 FBC 첨가에 따라 PM에포함되어 있는 산소의 조성이 4.8%에서 6.6%로 증가하는 반면 SOF 함량은 26.9%에서 24.7%로 소폭 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 FBC 성분인 Fe과 Ce의 촉매작용에 의해 연소실 내 산소가 활성화되고 PM 조직 내에 상대적으로 더 많이 산소가 포함되는 동시에 미연탄화수소 발생이 억제되면서 이로부터 유래하는 SOF의 PM 조직 내 함량이 줄어드는 것을 의미한다.
Table 2에 의하면 La_0.5K_0.5FeO₃이 Model PM 및 FBC Model PM과 조합되었을 때 TPO 개시온도와 TPO Peak 온도가 각각 310, 390 ℃로 동일한 수치들을 보였으며 이들은 시도된 조합들 중에서 FBC Model PM - K₂MnO₄ 조합과 더불어 가장 우수한 수치결과를 보이는 경우라 할 수 있다. 하지만 Fig.
따라서 가장 연소성능이 우수한, 즉, 가장 낮은 온도에서 PM이 연소되는 촉매 조합은 FBC Model PM - K₂MnO₄ 및 FBC Model PM - La_0.5K_0.5FeO₃ 조합이라 할 수 있다.
상용 디젤버너들은 PM 발생량이 기준치 이하가 나오도록 설계되어 있기 때문에 충분한 양의 PM 샘플을 얻기 위해서는 연료 대비 공기 주입량을 줄이는 방향으로 장치의 개조가 필요하였다. 따라서 팬(fan)의 공기주입 단면적을 25% 수준으로 줄여 공기 주입량을 감소시켰으며 Default로 장착된 분사노즐(3.79 l/h)보다 분사량이 큰 노즐(3.88 l/h)을 버너에 장착하여 연료 분사량을 인위적으로 증가시켰다. 연료는 시중에서 구매한 초저유황경유(Ultra-Low Sulfur Diesel, 이하 ULSD, 황함량 < 15 ppm)를 사용했으며, FBC로는 Ce과 Fe가 주된 촉매성분인 Rhodia 사의 DPX-1000을 사용하였다.
Fe/Ce FBC가 적용된 100 ppm Ce 농도의 ULSD 연료를 사용해 얻은 FBC Model PM 샘플은 일반 ULSD 연료를 사용해 얻은 PM 샘플에 비해 PM 입자크기가 작고 SOF 함량이 적으며 산소 조성이 더 높았는데, 이는 통상적으로 알려져 있는 FBC 적용에 따른 PM의 물리/화학적 특성 변화의 추세와 일치했다. 또한 TPO 연소실험에서 FBC Model PM은 일반 Model PM 보다 저온에서 높은 연소속도를 보였으며 이를 통해 FBC에 의한 PM 연소 개선효과도 확인할 수 있었다. FBC PM은 Perovskite 촉매들과 조합되었을 때 그 연소속도가 더욱 개선되었는데, A-site 금속이 순수한 La으로 구성된 LaBO₃ (B = Fe, Cr, Mn) 촉매들보다는 K가 부분치환된 촉매들(La_1-xK_xBO₃: B = Fe, Cr, Mn)이 FBC Model PM과 조합되었을 때 저온 연소속도가 더욱 크게 개선되었다.
본 연구에서 시도된 반응에서는 FBC에 의해 PM 표면에 –C(O) 작용기가 형성되고 이를 연소되는데 필요한 NO나 NO2를 Perovskite 촉매가 충분히 빠른 속도로 공급해야 하는데, 시도된 K-부분치환 촉매들의 산소결함 중 B-site 금속이 Fe인 La1-xKxFeO3-δ의 산소결함이 가장 적절한 NO (NO2) 흡착세기를 가져서 FBC와 가장 우수한 시너지 효과를 도출할 수 있었던 것으로 추측된다.
두 번째 비교군은 5 wt% Pt/Al₂O₃ 촉매만을 이용한 경우(비교군 2)로 CDPF 혹은 CRT 상용시스템에 대한 촉매모델이라 할 수 있다. 비교군 1과 비교군 2를 비교했을 때 FBC 분사를 전제한 비교군 1(TPO 개시/Peak온도 = 350/490℃)이 비교군 2 (TPO 개시온도 =375/520 ℃)에 비해 연소성능이 보다 우수함을 알 수 있다. 한편 FBC - La_0.
FBC PM은 Perovskite 촉매들과 조합되었을 때 그 연소속도가 더욱 개선되었는데, A-site 금속이 순수한 La으로 구성된 LaBO₃ (B = Fe, Cr, Mn) 촉매들보다는 K가 부분치환된 촉매들(La_1-xK_xBO₃: B = Fe, Cr, Mn)이 FBC Model PM과 조합되었을 때 저온 연소속도가 더욱 크게 개선되었다. 시도된 Perovskite 촉매들 중 La_1-xK_xFeO₃ 촉매가 가장 우수한 저온 연소속도 개선효과를 보였는데, 상용 DePM 시스템인 CDPF 혹은 CRT의 모델촉매로 적용된 5 wt% Pt/Al₂O₃ 촉매와 Model PM을 조합한 경우보다 TPO 개시온도는 40 ℃, TPO Peak 온도는 100 ℃ 이상이 낮아지는 결과를 보였다. 한편 Sr이 부분치환된 Perovskite 촉매들은 K 부분치환 촉매들에 비해 상대적으로 연소속도 개선효과가 작았다.
8, Table 2). 앞서 Fig. 3의 XRD 결과에서 보인 바와 같이 본 연구에서 제조된 Sr 부분 치환 샘플들이 순수한 Perovskite 결정구조를 이루지 못했다는 점도 이러한 결과에 일조했겠지만, 결과들을 전반적으로 놓고 비교했을 때 Sr 부분치환이 K 부분치환이 PM 연소성능 측면에서 열등하다고 결론 내릴 수 있다.
Model PM의 경우, 세가지 Perovskite 촉매를 사용했을 때 연소개시 온도가 낮아지고 활성온도 영역 전반에 걸쳐 연소반응 속도가 증가하는 것이 관찰되었으나, FBC Model PM의 경우는 Perovskite 촉매 적용에 따라 연소개시 온도가 낮아지는 효과는 있으나 그 이상 온도에서 연소속도는 크게 변화가 없었다. 이 결과들은 디젤 PM 연소반응에 있어 순수한 La으로 A-site가 구성된 Perovskite와 FBC 간에는 동시 적용에 따른 시너지효과가(이어서 제시될 A-site 부분치환 Perovskite와 FBC 촉매조합들에 비해) 상대적으로 크지 못함을 의미한다.
3FeO₃ -FBC Model PM의 TPO 반응에서 관찰되는 CO₂ 및 NO_x 농도변화 추이가 제시되어 있다. 이 그림에서는 NO_x농도가 감소하는 패턴이 CO₂유량이 증가하는 패턴에 정확히 연동하여 변화하고 있고, CO₂ 생성이 최대치에 도달하는 450 ℃ 근방에서 NO_x 농도가 300ppm까지 감소하여 최대 40% NO_x 전환율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 Perovskite와 FBC 조합 촉매에 의한 PM 연소반응이 Perovskite 촉매의 PM-NO_x 동시저감 메커니즘을 기반으로 진행되고 있음을 간접적으로 증명하고 있다.
이러한 NOx 흡착종들이 FBC 성분에 의해 PM 표면에 형성된 –C(O) 작용기들과 고체-고체 계면상에서 반응하여 CO2와 N2가 생성되는데, La1-xKxFeO3 - FBC Model PM 조합을 통해 이러한 표면흡착 중간체들의 높은 형성속도를 유도함으로써 결과적으로 시도된 촉매 조합들 중 가장 우수한 저온 PM 연소속도 개선효과를 얻을 수 있었던 것으로 예상된다.
FBC - 5 wt% Pt/Al₂O₃ 촉매조합(비교군 1)과 비교했을 때 TPO 개시온도는 40 ℃, TPO Peak 온도는 무려 100 ℃ 이상 낮음을 알 수 있다. 이상과 같은 비교결과는 FBC와 Perovskite 촉매조합을 활용했을때상용 DePM 시스템들을구성하는 촉매들을 상회하는 연소성능을 기대할 수 있음을 의미한다.
제조된 샘플들은 대부분 Perovskite가 주된 결정상이었으며, K 혹은 Sr 치환 치환량(x)이 증가함에 따라, Perovskite 단위격자 크기가 커져 회절피크들의 2θ 위치가 작은 값의 방향으로 조금씩 이동됨을 확인할 수 있었다.
Model PM은 Engine PM에 비하여 연소반응이 보다 높은 온도에서 진행되는 것을 알 수 있는데, 이는 앞서 Table 1에서 제시된 바와 같이 Model PM이 Engine PM 대비 산소함량과 SOF 함량이 낮아 조성 측면에서 연소에 불리한 특성을 지니고 있기 때문이다. 한편 Model PM과 FBC Model PM의 반응결과를 비교하면 FBC 첨가에 따라 TPO 곡선 온도구간이 저온으로 이동함을 알 수 있어, FBC에 의한 PM 연소개선 효과를 확인할 수 있었다.
이는 FBC 성분인 Fe과 Ce의 촉매작용에 의해 연소실 내 산소가 활성화되고 PM 조직 내에 상대적으로 더 많이 산소가 포함되는 동시에 미연탄화수소 발생이 억제되면서 이로부터 유래하는 SOF의 PM 조직 내 함량이 줄어드는 것을 의미한다. 한편 제조된 두 PM 샘플들이 실제 12 L 디젤엔진으로부터 얻은 PM 샘플(Table 1의 Engine PM)과 비교했을 때 화학적 조성과 입자 크기 측면에서 크게 다르지 않고, FBC 첨가가 PM 특성에 미치는 영향이 실재 엔진적용사례와 유사하게 재현되었다는 점에서 자체적으로 제조한 PM 샘플이 본 연구에서 사용될 PM 반응물로 타당하다고 판단하였다.

후속연구

여기서 본 연구진은 C(O) 형성이 단계 (4)와 (5)의 복합화된 과정을 거치기 때문에 전체반응속도에 미치는 영향이 클 것으로 예상했다. 이에 따라 FBC를 적용하여 PM을 생성하고 이를 DPF 상에서 포집하여 Perovskite 촉매에 의해 연소시키는 전략을 채용한다면, 잘 알려져 있는 FBC의 PM 연소촉진 효과를 기대할 수 있을 뿐 아니라, Perovskite 촉매반응 메커니즘 중 (5) 단계를 FBC의 (1), (2) 단계 작용을 통해 촉진시킴으로써 - 즉, C(O) 생성을 가속시킴으로써 -Perovskite 촉매 단독으로 사용했을 때보다 PM 연소성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤자동차 보급에 환경오염 배출가스 규제 대응기술이 중요한 이유는 무엇인가?	압축착화(High Pressure Ignition) 방식 희박연소(Lean Burn Combustion)에 근거한 디젤엔진을 동력으로 사용하는 경유(디젤) 자동차는 보급초기에 출력이 우수하고 지구온난화를 야기하는 CO2 배출이 적은, 효율적이고 미래지향적인 자동차로 인식되었다. 하지만 희박연소 조건에 의해 질소산화물(NOx), 탄소입자상 물질(Particulate Matters, 이하 PM), 미연탄화수소 등의 배출량이 상대적으로 높기 때문에, 환경오염 배출가스 규제 대응기술이 디젤자동차 보급에 요구되는 가장 중요한 기술적 사안 중 하나로 대두되었다. 따라서 유럽과 미국을 중심으로 세계 각 지역에서의 NOx와 PM 배출규제는 해를 거듭할 수록 급격히 강화되어 왔고 2000년대 초반에 이르러서는, 엔진내부의 연소를 제어하는 것만으로는 규제치를 만족할 수 없는 상황에 이르게 되었다.
	디젤 스켄들에서 차량제작사들이 추가연료 분사 메커니즘을 최소화하거나 배제한 이유는 무엇인가?	CDPF와 CRT는 백금(Pt)계 촉매를 이용하여 배출가스 중 NO를 NO2로 산소산화하고, 이 NO2를 산화제로 이용해 디젤입자상 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)에 포집된 PM을 연소시킴으로써 DPF를 연속적으로 재생(Regeneration)하는 것을 원리로 한다. 하지만 PM의 효과적인 연소를 위해서는 포집-재생 균형 온도(Balance Point Temperature)인 250℃ 이상으로 배출가스 온도를 유지하는 것이 요구되고, 이를 위해서는 엔진내부에 연료를 추가적으로 분사하여 배출가스 온도를 높여주는 조작이 필요한데 이는 차량의 연비를 저하시키는 주요요인이 된다. 하지만 각 국가별로 CO2배출권문제로인해내연기관차량의연비향상을강제하고있는 작금의 상황은 배출가스 제어기술 적용에 큰 부담으로 작용하고 있다.
	CDPF와 CRT의 원리는 무엇인가?	NOx 배출을 제어하기 위한 후처리촉매 기술로는 SCR (Selective Catalytic Reduction), LNT (Lean NOx Trap) 시스템이 있으며 PM 배출에 대한 후처리 촉매 기술로는 CDPF (Catalyzed Diesel Particulate Filter), CRT (Continuous Regeneration Trap)가있다. CDPF와 CRT는 백금(Pt)계 촉매를 이용하여 배출가스 중 NO를 NO2로 산소산화하고, 이 NO2를 산화제로 이용해 디젤입자상 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)에 포집된 PM을 연소시킴으로써 DPF를 연속적으로 재생(Regeneration)하는 것을 원리로 한다. 하지만 PM의 효과적인 연소를 위해서는 포집-재생 균형 온도(Balance Point Temperature)인 250℃ 이상으로 배출가스 온도를 유지하는 것이 요구되고, 이를 위해서는 엔진내부에 연료를 추가적으로 분사하여 배출가스 온도를 높여주는 조작이 필요한데 이는 차량의 연비를 저하시키는 주요요인이 된다.

참고문헌 (19)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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