‘세계 최초’ 친환경·경제적 과산화수소 촉매 개발
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‘세계 최초’ 친환경·경제적 과산화수소 촉매 개발
  • 김찬혁 기자
  • 승인 2020.01.14 01:00
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IBS, 산소와 물만으로 과산화수소 생산하는 新 촉매 개발
귀금속 촉매보다 2000배 저렴…반도체 세정 등 응용 기대
폐촉매 발생 안해…“환경 친화적 과산화수소 생산 가능”
기초과학연구원(IBS) 연구진이 개발한 코발트 원자 그래핀 촉매의 모식도. IBS 제공

초정밀 반도체 및 기계부품의 발전과 함께 과산화수소(H2O2) 수요가 증가하고 있는 가운데 과산화수소를 저렴하고 친환경적으로 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 

14일 기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단의 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 유종석 서울시립대 교수팀과 공동으로 산소와 물만을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발했다고 밝혔다. 

새롭게 개발된 촉매는 기존 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴해 과산화수소 생산에 있어 가격, 효율, 환경 문제를 모두 해결한 1석 3조의 기술로 평가된다.

과산화수소는 치약이나 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리제, 불순물 제거가 필요한 반도체 공정 등에서 폭넓게 사용된다. 그러나 기존 산업용 과산화수소 생산 공정은 값비싼 팔라듐 촉매를 사용하고 에너지를 많이 소비할 뿐만 아니라 부산물로 유기물을 발생시켜 환경오염을 유발한다는 지적이 제기돼 왔다. 

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. 백금, 팔라듐 등 귀금속 대신 값싼 코발트 원자를 사용했기 때문에 가격이 저렴하다.

새롭게 개발된 코발트 원자/그래핀 촉매를 이용하면 별도의 화합물 첨가 없이도 과산화수소를 생산할 수 있다. 이 촉매는 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높은 생산성능을 나타냈다. 또 110시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 진행한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다. 

아울러 연구팀이 개발한 촉매는 불균일촉매(고체 상태의 촉매로, 기체나 액체 상태인 반응물·생성물과 상(相)이 달라 반응 이후 재활용이 가능하다)로 균일촉매에 비해 저렴하고 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다. 

이번 연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 학술적 의미가 있다. 연구진은 이 촉매가 상온‧상압에서도 안정적, 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있는 만큼 다양한 화학공정에서 폭넓게 사용될 것으로 기대하고 있다.

연구결과는 재료 분야 세계적 학술지인 네이처 머터리얼스(Nature Materials) 1월 14일자(한국시간)에 실렸다.

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.
 


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