초록 ▼

1. 서론



과산화수소는 표백제 및 소독제로 화학 및 의료 산업에서 널리 사용되는 친환경 산화제이다. 또한 산업적으로 반도체 산업에서 웨이퍼의 세정제 및 프로필렌옥사이드(HPPO) 공정에서 프로필렌 산화 촉매로 촉진하여 프로필렌옥사이드(화장품, 자동차 내장재 등에 필요한 원료)을 생산하는 데 많은 양이 소비되고 있다. 다양한 응용 분야로 인해 과산화수소 시장은 매년 성장하여 현재 생산량이 220만 톤으로 급속히 증가하고 있다. 그러나 과산화수소의 생산은 여전히 고온, 고압의 안트라퀴논 공정에 크게

1. 서론



과산화수소는 표백제 및 소독제로 화학 및 의료 산업에서 널리 사용되는 친환경 산화제이다. 또한 산업적으로 반도체 산업에서 웨이퍼의 세정제 및 프로필렌옥사이드(HPPO) 공정에서 프로필렌 산화 촉매로 촉진하여 프로필렌옥사이드(화장품, 자동차 내장재 등에 필요한 원료)을 생산하는 데 많은 양이 소비되고 있다. 다양한 응용 분야로 인해 과산화수소 시장은 매년 성장하여 현재 생산량이 220만 톤으로 급속히 증가하고 있다. 그러나 과산화수소의 생산은 여전히 고온, 고압의 안트라퀴논 공정에 크게 의존하고 있다. 이는 안트라퀴논 유기물과 값비싼 팔라듐 촉매로 고온 고압의 수소 기체를 이용하여 반응시키는 과정으로, 많은 시설 및 비용을 필요로 한다. 또한 고순도의 과산화수소를 얻기 위해서 많은 비용이 발생하는데, 그 이유는 유기물인 안트라퀴논이 분산된 유기계 용매로부터 과산화수소 생산물을 정제하여 추출하는 과정이 필수적으로 수반되기 때문이다. 이를 대체하고자 많은 연구들이 진행되고 있는데, 그중에 (1) 직접 합성법, (2) 광촉매 이용 방법 그리고 (3) 전기화학적 과산화수소 생산 등이 연구되고 있다. 직접 합성법의 경우는 고농도의 수소, 산소 가스를 이용하여 고온에서 촉매 물질을 가지고 합성하는 방식인데, 가연성 및 폭발의 위험성이 있다. 이 기술은 아직까지 과산화수소의 생산성이 산업적인 요구를 따라오지 못하고, 현재 팔라듐계 촉매들만이 높은 활성을 보여주어 상용화에는 많은 제약이 따른다. 광촉매를 이용하는 경우도 앞선 기술과 같이 산업적인 요구에 비하면 생산성이 떨어지지만, 보다 친환경적인 방식으로 접근되고 있다. 앞선 기술과 다르게, 과산화수소의 전기화학적 생산법은 수전해 및 염소화 공정과 더불어 일종의 전기분해 방식으로 합성이 되기에, 기존의 해수를 이용한 염소화 공정을 진행하던 시스템을 그대로 적용할 수 있다는 점에서 현재 많은 기업들도 현 산업 모델에서 가장 관심을 가지고 접근하고 있다.[1]



전기화학적으로 과산화수소를 만드는 반응은 산소 분자를 환원시켜 얻어내는 과정으로, 산소는 각각 전자 2개 혹은 4개와 반응하여 과산화수소 또는 물로 전기화학적으로 환원될 수 있다. 산소 환원반응은 최근 정부 주도하에 성장하고 있는 연료전지 기술에서도 중요한 반응으로, 많은 촉매 연구가 진행되고 있다. 기존의 수소와 산소를 이용하여 구동되는 수소연료전지에서는 높은 전류값을 위해 전자를 4개까지 반응하여 물까지 환원이 진행되는 촉매를 개발하는 것을 목표로 하고 있지만, 과산화수소를 생산하기 위해서는 선택적으로 전자 2개까지만 반응하여 환원되는 메커니즘을 따르는 촉매들의 연구가 필요한 실정이다. 귀금속류 물질부터 다양한 탄소계 촉매 물질들이 활성을 가진다고 보고되고 있지만, 산업화를 위해서는 여전히 촉매 물질의 개발이 필요하다. 본 보고서를 통해 최근 연구가 되고 있는 2전자 산소 환원반응 과산화수소 생성 촉매들에 대해 살펴보고, 현재 실험실 스케일에서 전기화학적 방식으로 측정하는 전기화학 장치부터 산업화의 과정으로 대면적, 연속공정 시스템으로 나아가기 위한 최근의 연구 동향까지 살펴보려고 한다.



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