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. 

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↓

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. 

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.

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. 

"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. 

"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)