울산과학기술원(UNIST) 연구진이 여러 산업 분야에서 활용도가 높은 과산화수소(H₂O₂)를 친환경적이고 값싸게 생산하는 기술을 개발했다.
주상훈 에너지 및 화학공학부 교수팀은 전기를 이용해 산소를 과산화수소로 전환할 수 있는 ‘고성능 탄소 촉매’를 개발했다고 27일 밝혔다.
과산화수소는 냄새가 없고, 무색투명하며, 강한 산성을 띠는 액상 화합물이다. 제지산업을 비롯한 다양한 화합합성 분야에 널리 쓰인다.
그러나 기존에는 여러 단계를 거치는 데다 고압의 수소와 귀금속 촉매를 활용하는 공정 탓에 생산단가가 높았다. 그 과정에서 유기 폐기물이 다량 생성돼 환경오염도 유발했다.
이런 문제를 해결하는 방법으로 ‘전기화학적 변환’이 꼽힌다.
태양광이나 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 이용해 공기 중 산소를 과산화수소로 변환시키는 방식이다. 이때 산소를 환원시켜 선택적으로 과산화수소로 전환하는 반응을 촉진하는 저렴한 촉매가 무엇보다 중요하다.
주 교수팀은 나노 다공성 물질의 구멍 내부에서 탄소 원자를 흑연 결정으로 성장시키는 전략을 고안했다.
구멍 속에서 성장한 탄소 원자는 수직으로 층을 이루는데, 이때 엣지(Edge·가장자리) 수가 현저히 증가한 구조가 만들어지게 된다.
엣지 수가 늘어난 탄소 촉매는 엣지가 거의 없는 탄소 나노튜브(CNT)보다 약 28배 높은 과산화수소 생산 성능을 보였다. 또 안정성도 우수해 16시간 연속 구동하면서 상당한 양의 과산화수소를 포함한 반응수(反應水)를 생산했다.
주 교수는 “고성능 탄소 촉매로 얻은 반응수는 추가로 분리하거나 농축하지 않고 표백이나 폐수 처리 등에 바로 적용할 수 있다”면서 “새로운 탄소 촉매를 전기적 과산화수소 산업으로 응용할 앞으로가 매우 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 독일의 화학분야 학술지 ‘앙게반테 케미’(Angewandte Chemie International Edition)에 지난 21일 실렸고, 그 성과를 인정받아 최우수 논문에 해당하는 ‘VIP’(Very Important Paper)에 선정됐다.