화학부터 반도체까지 산업에 폭넓게 쓰이는 과산화수소를 친환경적이면서도 대량 생산할 수 있도록 돕는 탄소 촉매가 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 김종민 선임연구원과 계산과학연구센터 한상수 책임연구원팀이 이재우 한국과학기술원(KAIST) 교수 연구팀과 공동으로 높은 전류 밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소를 대량 생산하는 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.
과산화수소 합성에는 고가 팔라듐 촉매를 사용하는 ‘안트라퀴논 공정’이 주로 쓰이는데, 이는 과산화수소를 저장하고 운송하는 데 비용이 많이 들고 촉매 반응 과정에서 환경오염을 일으키는 유기 오염물질이 나오는 문제도 있었다.
이런 단점을 대체하는 공정으로 산소 환원반응을 활용해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 주목받고 있으나 여기에 쓰이는 기존 상업용 탄소 촉매는 높은 전류밀도에서 촉매 활성도가 낮아 대량생산이 어려웠다.
연구팀은 이산화탄소를 수소화붕소나트륨과 반응시켜 붕소를 도핑한 다공성 탄소 촉매를 합성했다.
이 촉매를 실험과 계산과학으로 분석한 결과, 표면 붕소와 산소가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되고, 높은 전류밀도에서도 과산화수소가 잘 만들어지는 것으로 나타났다.
개발한 촉매는 실제 반응기에서 촉매 1㎏당 과산화수소 284㎏을 생산했으며 100시간 동안 성능이 떨어지지도 않았다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 이외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 결합한 촉매도 개발했다.
이 촉매는 수질정화 공정에 활용했을 때 과산화수소를 빠르게 생산해 기존보다 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것으로 나타나 수처리에 활용 가능성이 높다고 연구팀은 강조했다.
김 선임연구원은 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극 소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높다”며 “현장에서 생산할 수 있어 수처리와 같이 다양한 산업 분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다.
연구 결과는 지난 3월 2일과 20일 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경’에 두 편의 논문으로 실렸다.