과산화수소를 1시간에 284㎏ 만든다

KIST-KAIST, 저렴한 탄소 촉매 개발
오염물질 배출없이 100시간 성능 유지

KIST 연구진이 새로운 탄소촉매로 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소를 만들어내고 있다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 김종민·한상수 박사팀과 한국과학기술원(KAIST) 이재우 교수팀이 환경오염 물질을 배출하지 않고 과산화수소를 시간당 284㎏ 만들어 내는데 성공했다. 핵심은 기존에 사용되는 촉매보다 저렴한 탄소 촉매를 개발한 것으로, 100시간 이상 사용해도 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 과산화수소를 만들어냈다.

KIST 최재원 박사후 연구원은 11일 "이는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 고성능 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다"고 의의를 설명했다.

과산화수소는 표백제와 살균제, 종이 및 펄프 산업, 반도체 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰인다. 하지만 현재 과산화수소를 만드는 '안트라퀴논(Anthraquinone) 공정'은 비싼 팔라듐 촉매를 사용하며, 만드는 과정에서 유기 오염물질이 나와 환경오염을 일으킨다.

또 고농도의 과산화수소를 저장·운송할때 비용이 많이 든다.

연구진은 팔라듐을 대체하기 위해 붕소가 첨가된 미세구멍이 뚫린 탄소 촉매를 만들었다. 개발한 탄소 촉매를 실험과 계산과학 방법으로 분석했다. 그결과, 탄소 촉매 표면의 붕소와 산소가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화됐다.

KIST 연구진이 개발한 탄소촉매(왼쪽)와 촉매를 도포한 전극(가운데), 코발트 단원자가 첨가된 탄소촉매. KIST 제공

과산화수소가 만들어지는 지점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 생산율을 보였다. 또 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 1시간마다 촉매 1㎏당 284㎏의 과산화수소를 생산해 최고 수준이다. 뿐만아니라 이 촉매는 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소를 만들어냈다.

이외에도 붕소 대신 코발트를 첨가한 탄소촉매는 과산화수소가 빨리, 많이 만들어져 유기오염물을 분해함으로써 수처리 분야로 활용할 수 있다.

김종민 박사는 "이 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용해 상용화의 가능성이 매우 높다"며, "현장 생산 방식이라는 장점까지 있어 수처리와 같이 다양한 산업분야로 확장될 것"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번 연구 결과를 에너지·환경 분야 세계 상위 1% 저널인 '응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)'에 두 편의 논문으로 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자