한국과학기술연구원(KIST)은 기후환경연구소 물자원순환연구단 변지혜·정재식 책임연구원 연구팀이 빛으로 과산화수소를 생산하는 효율을 대폭 높여 이론 한계를 넘긴 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

빛으로 과산화수소를 만드는 기존 광촉매 방식은 빛을 받은 촉매에서 생긴 전자가 산소와 반응해 과산화수소를 만드는 방식으로, 빛 입자 1개가 한 번의 반응만 일으켜 광자 1개당 과산화수소 1개가 효율 상한이었다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 한 번의 빛이 만든 첫 반응이 다음 반응을 연속해서 일으키는 방식을 도입했다.

이를 구현하기 위해 빛을 흡수해 반응을 시작하는 물질과 수소를 제공하는 물질, 이들이 잘 반응하도록 돕는 용매를 섞은 용액을 개발했다.

세 물질의 종류와 비율에 따른 효율 향상을 위해 184개 조합을 구성해 5천888회 실험과 인공지능(AI)을 활용한 조합을 찾아냈다.

이렇게 만든 용액은 빛 입자 1개당 과산화수소 2개 이상을 만들어 219.1% 광 효율을 기록했다.

연구팀은 1ℓ급 반응기에서 1% 농도 고순도 과산화수소를 생산하는 데 성공했으며 실제 수처리에 적용해 환경호르몬인 비스페놀A를 99.95% 이상 제거할 수 있는 것도 확인했다.

또 연구팀은 기존 태양광 촉매는 300W급 고전력 광원이 필요하지만, 이번 기술은 스마트폰 충전기 수준인 4~8W 저전력으로 구동할 수 있어 분산형 생산 방식으로도 활용될 수 있을 것으로 전망했다.

변 책임연구원은 "빛 한 번으로 시작된 반응이 연속적으로 이어지도록 해 기존 광화학 과산화수소 생산의 효율 한계를 넘어섰다"며 "정수장과 하수처리장, 스마트팜, 첨단 산업 현장은 물론 재난 지역의 응급 수처리 등 필요한 곳에서 과산화수소를 직접 생산하는 기술로 발전시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 지난달 6일 국제학술지 '줄'에 실렸다.