‘저가·높은 생산성·친환경’ 3박자 갖춘 과산화수소 생산 촉매 개발

김태환 기자
입력 2020.01.14 01:00
기존 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴하면서도 친환경적으로 최대 8배 많은 과산화수소를 생산할 수 있는 촉매가 개발됐다. 가격, 생산, 환경 문제를 모두 해결한 1석 3조의 기술이다.

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단 단장과 성영은 부연구단장, 유종석 서울시립대 교수 공동 연구팀이 이같은 전기 촉매를 새로 개발했다고 14일 밝혔다.

코발트 원자·그래핀 촉매의 모식도 /기초과학연구원 제공
코발트 원자·그래핀 촉매의 모식도 /기초과학연구원 제공
과산화수소는 치약이나 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리제, 불순물 제거가 필요한 반도체 공정 등에서 폭넓게 사용한다. 특히 반도체 세정과 같은 산업용 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정으로 만든다.

하지만 안트라퀴논 공정은 값비싼 팔라듐 촉매를 필요로 한다. 더구나 촉매 변환 과정에서 부산물로 유기물이 발생해 환경오염을 유발한다. 저렴하면서도 높은 효율로 과산화수소를 생산할 수 있는 지속가능한 공정이 요구되는 상황이다.

연구팀은 여러 단계에 걸친 복잡한 공정 없이 물(H2O)과 산소(O2)를 이용하여 과산화수소를 전기적으로 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 고안해냈다. 연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태다.

이 촉매는 기존 촉매와 달리 백금, 팔라듐 등 귀금속 대신 값싼 코발트 원자를 사용했기 때문에 가격이 저렴하다. 생산성능은 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높다.

코발트 원자·그래핀 촉매의 높은 생산 활성도. 기존촉매들보다 안정성도 뛰어나 110시간이 넘는 과산화수소 생산 이후에도 초기성능의 98% 이상을 유지할 수 있다. /기초과학연구원 제공
코발트 원자·그래핀 촉매의 높은 생산 활성도. 기존촉매들보다 안정성도 뛰어나 110시간이 넘는 과산화수소 생산 이후에도 초기성능의 98% 이상을 유지할 수 있다. /기초과학연구원 제공
1kg의 촉매를 사용했을 때 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있는 성능이다. 또한 110시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 진행한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다.

성영은 부단장은 "철, 코발트, 니켈 등 비교적 값싼 원자가 그래핀 위에 안정화돼 있을 때 전기화학반응을 효과적으로 매개한다는 연구결과에 착안해 이번 연구의 아이디어를 얻었다"며 "원자 수준에서 촉매의 활성을 조절할 수 있음을 규명하고 계산화학을 통해서도 정당성을 확인했다"고 설명했다.

이번 연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 의미도 갖는다. 상온‧상압에서도 안정적, 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있는 만큼 다양한 화학공정에서 폭넓게 사용될 수 있다.

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 말했다.

연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지인 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 39.124)’ 1월 14일자(한국시간)에 실렸다.