IBS, 과산화수소 생산효율 8배↑···기존보다 2000배 저렴

산소와 물만으로 과산화수소(H2O2) 생산하는 새로운 촉매 개발

반도체 세정, 의료분야 등 응용 가능

코발트 원자/그래핀 촉매 모식도

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 화학산업의 핵심재료인 과산화수소(H2O2)의 생산 효율을 최대 8배 높일 수 있는 촉매가 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단의 현택환 단장·성영은 부단장 연구팀이 유종석 서울시립대 교수팀과 함께 산소와 물 만을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

이 촉매는 기존의 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴하고 생산효율은 크게 높다.
 
 연구팀에 따르면 산업용 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정으로 생산된다. 하지만 이 공정은 값비싼 팔라듐 촉매를 사용하고 에너지 소비가 많으며 부산물로 유기물이 발생해 환경오염을 유발한다는 한계가 있다.
 
이번 연구에서 공동연구팀은 여러 단계에 걸친 복잡한 공정없이 물(H2O)과 산소(O2)를 이용해 과산화수소를 전기적으로 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 고안해 냈다. 연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태로 백금, 팔라듐 등 기존의 비싼 촉매와 달리 값싼 코발트 원자를 사용한다.

개발된 코발트 원자/그래핀 촉매를 산소를 포화시킨 수용액에 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물 첨가없이도 과산화수소를 생산할 수 있다. 이 촉매는 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높은 생산성능을 보였다.
 
 1㎏의 촉매를 사용했을 때 하루에 341.2㎏의 과산화수소를 생산할 수 있는 성능이다. 또 110시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다.

성영은 부단장은 "철, 코발트, 니켈 등 비교적 값싼 원자가 그래핀 위에 안정화돼 있을 때 전기화학반응을 효과적으로 매개한다는 연구결과에서 아이디어를 얻었다"며 "코발트 원자 주변 구조를 변화시킨 결과 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 성능을 보이는 촉매를 개발할 수 있었다"고 설명했다.

연구진이 개발한 촉매는 불균일촉매로 균일촉매에 비해 저렴하고, 반응 이후에는 회수해 재활용할 수 있어 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다.

이번 연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 점에서 학술적 의미가 높다.

연구진은 이 촉매가 상온·상압에서도 안정적이고 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있는만큼 다양한 화학공정에서 폭넓게 사용될 것으로 기대하고 있다.

연구결과는 재료 분야 세계적 학술지인 네이처 머티리어얼스' 14일자로 게재됐다. (논문명 Atomic-level tuning of Co-N-C catalyst for high-performance electrochemical H2O2 production)

현택환 단장은 "세계 100대 산업용 화학물질인 과산화수소를 환경 친화적이며 경제적으로 생산할 수 있게 됐다”며 “향후 과산화수소 생산은 물론 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용돼 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다"고 밝혔다.


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