Press release

2021. 09. 09 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

친환경 과산화수소 생산 길 열린다!.. 고성능 촉매 설계법 제시

UNIST 주상훈 교수팀, 전기화학적 과산화수소 생산에 쓰이는 탄소계 촉매 개발
실험적 규명 어려웠던 핵심 촉매 설계 요소 밝혀 고성능 촉매 탄생 .. Chem 논문 게재

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.
[연구그림] 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.
[연구그림] 개발한 촉매의 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.

논문명: Designing Highly Active Nanoporous Carbon H2O2 Production Electrocatalysts through Active Site Identification
자료문의

대외협력팀: 김학찬 팀장, 양윤정 담당 (052) 217 1228

화학과: 주상훈 교수 (052) 217 2522
  • [연구그림] 고성능 과산화수소 생산 촉매 개발 전략 모식도
  • [연구그림] 개발한 촉매의 안정성
  • [연구그림] 개발한 촉매의 성능
 

[붙임] 연구결과 개요

 

1. 연구배경

과산화수소(H2O2)는 펄프 표백, 식품 가공 및 폐수처리와 같은 분야에서 널리 사용되는 핵심 화학물질로, 이 물질에 대한 전 세계적인 관심과 수요는 점차 증가하고 있다. 현재 과산화수소는 대부분 안트라퀴논 공정을 통해 생산되고 있지만, 고압의 수소 기체와 비싼 팔라듐 기반 수소화 촉매를 사용하며, 정제 및 농축을 위해 막대한 에너지가 투입되어 생산 단가가 높아진다. 또한, 생산 인프라가 중앙화되어 있기에 고농도의 과산화수소 생산이 필수적이며, 이에 따라 추가적인 운송비용도 발생할 뿐만 아니라 운송 도중에 과산화수소가 분해되지 않기 위한 안정제 비용도 만만치 않다. 따라서, 전기를 이용한 과산화수소 생산이 친환경적인 기술로 크게 주목받고 있으며, 필요에 따라 바로바로 소규모로 과산화수소를 생산할 수 있다는 점, 재생 에너지원과 결합하여 생산비용을 크게 낮출 수 있는 장점도 지니고 있다.

전기화학적 과산화수소 생산을 위해 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction; ORR)이 사용되는데, 이 반응을 통해 과산화수소가 만들어질 뿐만 아니라 부반응을 통해 물이 생성될 수 있으므로, 과산화수소만을 선택적으로 생성할 수 있는 촉매를 개발하는 것이 필수적이다. 여러 가지 촉매 물질 중에서 탄소로 이루어진 촉매는 값싸고 매장량이 풍부하며 높은 전도성을 가지고 있다는 점에서 활발하게 연구되고 있다. 순수한 탄소 물질은 활성과 선택성이 낮기에, 이종 원소(B, N, O, S, F)를 도핑을 통해 촉매 표면에 활성점을 생성하거나 구조적인 특성(결함, 기공 구조)을 조절하여 성능을 높일 수 있다. 하지만, 이러한 방법을 이용해 촉매를 제조할 때, 대부분 활성점이 생성되면서 구조적 특성 또한 함께 변하므로 탄소 촉매의 성능을 높일 수 있는 활성 요소를 명확하게 밝히는 것이 어렵고 이로 인해 더 이상의 개발이 더딘 상황이다.

2. 연구내용

본 연구에서는 전기 과산화수소 생산 반응에 활성이 높은 탄소계 촉매의 활성점과 구조적 특성을 규명하기 위해 이 두 가지 요인 중 한 가지 요인을 일정하게 유지한 채 다른 특성을 잘 조절한 흑연화된 메조다공성 탄소(GOMC) 모델 촉매 합성법을 개발하였다. 산소 활성점을 조절해 합성한 모델 촉매를 이용해 카르복실(carboxyl) 그룹과 카보닐(carbonyl) 그룹이 촉매 활성점이며, 그중에서도 카르복실 그룹이 가장 좋은 활성점임을 밝혔다. 촉매 활성점은 일정하게 유지한 채로, 구조적 특성만을 조절하여 합성한 또 다른 모델 촉매를 이용해서는 해 흑연화된 탄소의 엣지 비율이 높은 탄소 촉매일수록 과산화수소 생산 능력이 우수함을 증명하였다.

이러한 발견들을 바탕으로 엣지 자리에 카르복실(carboxyl) 활성점을 대량 가지고 있는 최적화된 촉매의 합성에 성공하였고, 이 촉매는 현재까지 보고된 탄소계 촉매 대비 가장 높은 활성을 보였고, 일주일 동안의 장기 안정성을 보였으며, 부반응 없이 100% 과산화수소 선택성을 가졌다.

3. 기대효과

본 연구에서는 성능 요인이 잘 조절된 모델 촉매를 제조하여 전기화학적 과산화수소 생산의 활성에 영향을 미치는 활성점 및 구조적 특성을 밝혔다. 산소 활성점 중에서 카르복실(carboxyl) 활성점을 많이 가질수록, 엣지 탄소의 비율이 높은 구조를 가질수록 높은 활성을 가짐을 밝혔다. 이를 통해 앞으로의 탄소계 촉매의 기초 연구 및 응용에 있어 큰 도움이 될 수 있음을 예상한다. 또한, 현재 합성된 촉매가 충분히 산업에서 사용할 수 있는 양의 과산화수소를 생성할 수 있고, 그 안정성 및 선택성도 뛰어나, 앞으로 친환경적으로 필요할 때마다 과산화수소를 생산할 수 있는 장치의 개발 및 상용화에 크게 이바지할 것으로 생각한다.
 

[붙임] 그림설명
 

그림1. 전기 과산화수소 생산의 성능을 높을 수 있는 탄소 촉매 개발의 전략 모식도
 

그림2. 최적화된 탄소계 촉매의 개시 전위(onset potential)와 과산화수소 생산 성능(촉매 질량당 성능) 그래프.
 

그림3. (좌) 최적화된 촉매의 장기 안정성 테스트 그래프. 일주일 동안 안정하게 과산화수소를 99%의 패러데이 효율로 생성한다. 패러데이 효율이 높을수록 반응에 쓴 전기에너지를 과산화수소 생산에만 사용했단 의미다. (우) 최적화된 촉매의 장기 안정성 테스트 시 측정한 과산화수소 축적량 및 패러데이 효율 그래프.
 
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