과산화수소 친환경 생산법 상용화 위한 고성능 촉매 개발

UNIST 주상훈 화학과 교수팀, 실험적 규명 어려웠던 핵심 설계요소 밝혀

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 친환경 전기 과산화수소 생산 공법의 상용화 가능성을 높이는 고성능 촉매를 개발했다.

주상훈 화학과 교수팀은 친환경 전기화학적 과산화수소 생산에 쓰이는 탄소계 촉매를 개발했다고 9일 밝혔다.

전기화학적 과산화수소 생산법은 복잡한 과정을 거치는 기존 과산화수소 생산법과 달리 공법이 간단하고 오염물질 배출이 없다는 장점이 있다. 다만 값싸고 성능 좋은 촉매 개발이 이 공법 상용화를 위한 관건이었다.

특히 탄소계 촉매는 가격이 매우 저렴해 주목받는 물질이지만, ‘촉매 활성화’ 작업 중에 일어나는 무분별한 촉매 구조 변화로 성능을 위한 핵심 요소를 실험적으로 파악하기 힘들다는 제약이 있었다.

연구진은 탄소 촉매 구조를 정밀하게 조절할 수 있는 합성법을 이용해 성능과 효율을 향상하는 핵심 설계 요소를 밝히고, 이를 활용해 고성능 나노다공성 탄소 촉매를 개발했다.

그 결과 촉매 활성점을 다량 보유한 촉매 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.

상처 소독부터 반도체 세정까지 폭넓게 쓰이는 과산화수소의 생산은 현재 안트라퀴논 공법에 의존하고 있다.

이 공법은 고가의 팔라듐 촉매가 필요할 뿐 아니라, 유기 오염물을 배출한다.

그러나 전기화학적 생산 방식은 물 외에 반응 부산물이 없고, 재생에너지 생산 전기와 결합해 사용하면 생산 단가도 낮출 수 있다.

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

이번 연구는 국제 학술지 켐(Chem) 온라인판에 지난 8월 30일 자로 게재됐다.

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