가격은↓효율은 8배↑ '과산화수소'
가격은↓효율은 8배↑ '과산화수소'
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.14 23:55
  • 조회수 1104
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요약

 

화학 산업과 제약 산업의 핵심재료인 과산화수소(H2O2)의 생산 효율을 최대 8배 높일 수 있는 촉매가 개발됐습니다. 개발된 코발트 원자·그래핀 촉매를 산소를 포함시킨 수용액에 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물 첨가 없이도 과산화수소 생산이 가능했습니다. 이 촉매는 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높은 생산 성능을 나타냈습니다. 또한 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있습니다. 

산소와 물만을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매가 개발됐습니다. 기존 귀금속촉매보다 2,000배 이상 저렴한 촉매로 과산화수소를 생산할 수 있어 가격, 효율, 환경 문제를 모두 해결한 1석 3조의 기술로 평가되는데요. 이 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단의 현택환 단장과 성영은 부연구단장 연구팀은 유종석 서울시립대 교수팀과 공동으로 진행했습니다. 이번 연구는 <Nature Materials>에 게재됐습니다. 

연구진이 개발한 코발트 원자·그래핀 촉매의 모식도. 출처: IBS
연구진이 개발한 코발트 원자·그래핀 촉매의 모식도. 출처: IBS

과산화수소, '안트라퀴논 공정'으로 생산 中

 

과산화수소는 치약이나 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리제, 부순물 제거가 필요한 반도체 공정 등에서 폭넓게 사용되는데요. 산업용 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정으로 생산됩니다.

  • 안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)

유기용매에 녹인 안트라퀴논을 촉매 존재 하에서 환원과 산화 반응을 순차적으로 거쳐 과산화수소를 생산하는 공정. 값비싼 팔라듐 촉매가 대량으로 필요하며 각 단계마다 과도한 에너지가 소비되어 에너지 효율이 낮습니다. 또, 유기 용매가 부산물로 발생하기 때문에 환경오염을 야기한다는 한계가 존재합니다.

 

하지만 안트라퀴논 공정은 값비싼 팔라듐 촉매를 사용하며 에너지가 많이 소비될 뿐 아니라 부산물로 유기물이 발생해 환경오염을 유발한다는 한계가 존재합니다. 초정밀 반도체 및 기계부품의 발전과 함께 과산화수소 수요가 증가하고 있어 저렴하면서도 높은 효율로 과산화수소를 생산할 수 있는 지속가능한 공정이 요구되는 상황입니다.  

 

비싼 팔라듐 대신 값싼 코발트로 가격↓

코발트 원자 주변 구조 제어를 통한 촉매 활성 조절. 출처: IBS
코발트 원자 주변 구조 제어를 통한 촉매 활성 조절. 출처: IBS

연구팀은 여러 단계에 걸친 복잡한 공정 없이 물(H2O)와 산소(O2)를 이용해 과산화수소를 전기적으로 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 고안해냈습니다. 연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태입니다. 

연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 성능 비교. 출처: IBS
연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 성능 비교. 출처: IBS

기존 촉매인 백금, 팔라듐 등 귀금속 대신 값싼 코발트 원자를 사용했기 때문에 가격이 저렴합니다. 개발된 코발트 원자·그래핀 촉매를 산소를 포함시킨 수용액에 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물 첨가 없이도 과산화수소 생산이 가능했습니다. 이 촉매는 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높은 생산성능을 나타냈습니다.

연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 과산화수소 생산량 비교. 출처: IBS
연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 과산화수소 생산량 비교. 출처: IBS

1kg의 촉매를 사용해 하루 340kg 이상의 과산화수소를 생산할 수 있는 성능입니다. 또한 110시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 진행한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐습니다. 

 

성영은 부단장. 출처: IBS
성영은 부단장. 출처: IBS

 

 

"우리 몸 속에서 과산화수소를 만들어 내는 효소의 구조를 흉내 내어 코발트 원자가 그래핀 위에 안정화된 구조를 갖도록 디자인하여 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 성능을 보이는 촉매를 개발할 수 있었습니다"

-성영은 부단장-

 

 

 

 

연구진이 개발한 촉배는 불균일 촉매로 균일 촉매에 비해 저렴하고 반응 이후 회수해 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 갖는데요. 이번 연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 학술적 의미가 있습니다. 연구진은 이 촉매가 상온·상압에서도 안정적, 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있는 만큼 다양한 화학 공정에서 폭넓게 사용될 전망입니다. 

 

  • 불균일촉매(heterogeneous catalyst)

촉매가 반응물 및 생성물과 동일한 상(相)을 가질 때를 균일촉매라 하며 촉매, 반응물, 생성물이 모두 다 용매에 녹은 형태로 반응이 진행됩니다. 반면 불균일촉매는 반응물과 생성물이 기체나 액체상태인 것과 달리 고체상태로 상이 달라 반응 이후 회수해 재활용할 수 있다는 장점이 있습니다. 

현택환 단장. 출처: IBS
현택환 단장. 출처: IBS

 

 

 

 

"반도체 세정제, 의료용 소독제 등으로 널리 사용되는 과산화수소를 환경 친화적이며 경제적으로 생산할 수 있게 됐습니다. 향후 과산화수소는 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용돼 생산성을 향상시킬 것으로 기대됩니다"

-현택환 단장- 

 

 

 

 


##참고자료##

 

  • 정의연, et al., "Atomic-level tuning of Co-N-C catalyst for high-performance electrochemical H2O2 production", Nature Materials(2019)


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