친환경 과산화수소 생산 길 열린다!.. 고성능 촉매 설계법 제시

친환경 전기 과산화수소 생산 공법의 상용화 가능성을 높이는 고성능 촉매가 개발됐다. 이 촉매는 이제껏 보고된 탄소계 촉매 중 활성과 반응 효율이 가장 높다. 특히, 촉매의 핵심 설계 요소가 밝혀져 향후 촉매 개발의 방향을 제시할 수 있을 전망이다.

UNIST (총장 이용훈) 화학과 주상훈 교수팀은 친환경 전기화학적 과산화수소 생산에 쓰이는 탄소계 촉매를 개발했다. 전기화학적 과산화수소 생산법은 복잡한 과정을 거치는 기존 과산화수소 생산 공법과 달리 간단하며 오염물질 배출이 없다. 값싸고 성능 좋은 촉매 개발이 이 공법 상용화를 위한 관건이었다.

그 중 탄소계 촉매는 가격이 매우 저렴해 주목 받는 물질이다. 하지만 탄소계 촉매의 성능을 향상시키기 위한 ‘촉매 활성화’ 작업 중 일어나는 무분별한 촉매 구조 변화로 인해 촉매 성능을 위한 핵심 요소를 실험적으로 파악하기가 힘들고 촉매 개발에 제약이 있었다.

그림1. 고성능 과산화수소 생산 촉매 개발 전략 모식도

연구팀은 탄소 촉매의 구조를 정밀하게 조절할 수 있는 합성법을 이용하여 탄소계 촉매의 성능과 효율을 향상시키는 핵심 촉매 설계 요소를 밝히고 이를 활용해 고성능 나노다공성 탄소 촉매를 개발했다. 제 1저자인 임준성 화학과 박사과정 연구원은 “카르복실 작용기와 엣지 탄소가 핵심 촉매 활성점이라는 것을 밝히고 이러한 사실을 바탕으로 활성점의 수가 극대화된 고성능 촉매를 개발할 수 있었다”고 설명했다.

촉매 활성점을 다량 보유한 촉매의 성능은 현재까지 보고된 탄소계 촉매 중 가장 높았다. 또 168시간 동안 성능 저하 없이 안정적으로 과산화수소를 생산했으며, 100%에 가까운 효율을 보였다. 전기에너지가 부산물인 물(H2O)을 만드는 데 낭비되지 않고 거의 100% 과산화수소만 생성돼 효율이 높다.

그림2. 개발한 촉매(별표) 의 성능

상처 소독부터 반도체 세정까지 폭넓게 쓰는 과산화수소 생산은 안트라퀴논 공법에 의존하고 있다. 이 공법은 고가의 팔라듐 촉매가 필요할 뿐만 아니라 유기 오염물을 방출한다. 반면 전기화학적 생산 방식은 물(H2O) 외에는 반응 부산물이 없으며, 재생에너지 생산 전기와 결합해 사용하면 생산 단가도 낮출 수 있다.

주상훈 교수는 “탄소계 촉매의 핵심 설계 비결을 제시한 이 연구는 향후 촉매 개발의 중요한 지침으로 활용될 것으로 기대된다”며 “다량의 유기 오염물이 발생하는 안트라퀴논 공정을 대신할 수 있는 전기화학적 과산화수소 생산에 한 발 더 가까워지게 됐다”고 설명했다.

광운대학교 화학과 사영진 교수팀, UNIST 연구지원본부 신태주 교수팀이 참여한 이번 연구는 세계적 권위지인 셀(Cell)의 자매지 ‘켐(Chem)’에 8월 30일자로 온라인 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업’, ‘미래소재디스커버리사업’ 및 ‘수소에너지혁신기술개발사업’의 지원을 받아 이뤄졌다.