친환경·저비용 과산화수소 생산법 찾았다

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(왼쪽부터) 김종민 한국과학기술연구원(KIST) 극한물성소재연구센터 책임연구원, 한상수 계산과학연구센터 책임연구원, 이재우 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수, 문준희 한국기초과학지원연구원(KBSI) 소재분석연구부 선임연구원. KIST 제공.

과산화수소를 친환경적인 방식으로 생산하는 방법이 개발됐다. 기존 친환경 방식의 실용적 한계를 극복한 방법이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김종민 극한물성소재연구센터 책임연구원, 한상수 계산과학연구센터 책임연구원, 이재우 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수, 문준희 한국기초과학지원연구원(KBSI) 소재분석연구부 선임연구원 공동 연구팀이 산소를 과산화수소로 전환하는 ‘고효율 메조 다공성 촉매’를 개발해 기존 과산화수소 친환경 생산 방식의 한계를 극복했다고 9일 밝혔다.

과산화수소는 화학, 의료, 반도체 산업 등에서 폭넓게 활용되는 세계 100대 산업용 화학물질 중 하나다. 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정을 통해 생산된다. 유기 용매에 녹인 안트라퀴논 분자에 촉매를 더해 환원·산화 반응을 반복적으로 일으켜 과산화수소를 생산하는 공정이다. 에너지를 많이 쓰고 고가의 팔라듐을 촉매로 사용해야 하며 부산물이 발생해 환경오염 문제 등을 유발한다.

최근에는 저렴한 탄소 촉매를 활용해 산소를 전기화학적으로 환원한 뒤 과산화수소를 생산하는 친환경 방식이 주목받고 있다. 하지만 고순도의 산소 가스를 주입해야 한다는 점에서 많은 비용이 들고 과산화수소가 불안정한 염기성 전해질 환경에서 주로 생성된다는 점에서 실용적 한계가 존재했다.

연구팀은 기존 한계를 극복하기 위해 탄소 촉매에 메조 기공을 도입해 산소 농도가 낮은 공기 공급 환경과 중성 전해질에서도 과산화수소를 효과적으로 생산할 수 있는 고효율 메조 다공성 촉매를 개발했다. 메조 기공은 2~50nm(나노미터, 10억분의 1미터) 크기의 기공으로 물질의 표면적을 넓히거나 물질 내 분자 이동을 촉진하는 등의 역할을 한다.

(왼쪽) 다공성 탄소 촉매의 표면과 메조 기공을 이루는 탄소 벽에 붕소가 도핑돼 있는 구조를 나타낸 모식도. (오른쪽) 투과전자현미경과 원자단층현미경을 이용해 측정된 탄소 촉매의 메조 기공 구조 및 붕소의 원자 단위 분포 상태. KIST 제공.

연구팀은 온실가스인 이산화탄소, 강력한 환원제인 수소화붕소나트륨, 메조 크기의 탄산칼슘 입자를 반응시킨 후 탄산칼슘 입자를 선택적으로 제거해 약 20nm 크기의 메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 합성했다.

메조 기공을 갖는 붕소 도핑 탄소를 전기화학적 과산화수소 생산 촉매로 활용한 결과, 과산화수소 생성 반응이 어려운 중성 전해질 환경에서도 메조 기공으로 인해 우수한 촉매 활성이 발휘됐다.

연구팀은 화학분석법의 하나인 실시간 라만 분석을 통해 메조 다공성 구조가 산소의 원활한 전달을 촉진해 산소 농도가 약 20%에 불과한 공기 환경에서도 높은 촉매 활성을 유지시킨다는 점도 확인했다.

연구팀은 붕소 도핑 메조 다공성 탄소 촉매를 과산화수소 대량생산 반응기에 적용하면 상용화에 가까운 환경인 중성 전해질과 공기 공급, 산업 규모의 전류밀도인 cm²당 200mA(밀리암페어) 조건에서 80% 이상의 과산화수소 생산 효율을 기록할 수 있다는 점을 입증했다. 또 의료용 과산화수소 농도(3%)를 초과하는 3.6% 농도의 과산화수소 용액을 제조해 상용화 가능성을 제시했다.

김종민 책임연구원은 “우리가 호흡하는 공기 중의 산소를 활용해 중성 전해질에서 과산화수소를 생산하는 메조 다공성 탄소 촉매 기술을 개발했다”며 “기존 촉매보다 실용성이 높아 산업화에 속도를 더할 것"이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 최신호에 게재됐다.

<참고 자료>
doi.org/10.1002/adma.202415712