산업용 과산화수소 값싸게 대량 생산한다

KIST 연구진, 기존 공정 뛰어넘는 고효율 탄소 촉매 개발

KIST 연구진이 개발한 고성능 탄소촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. KIST 제공.

표백제나 살균제, 종이펄프 산업, 반도체 산업 분야 웨이퍼 세정제 등 다양한 곳에 쓰이는 과산화수소를 대량으로 생산할 수 있는 고효율 탄소 촉매 기술이 개발됐다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 김종민 물질구조제어연구센터 선임연구원, 한상수 계산과학연구센터 책임연구원, 이재우 KAIST 교수 연구팀이 고전류밀도에서 우수한 성능으로 과산화수소 대량 생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다. 

현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논 공정’은 값비싼 팔라듐 촉매를 사용한다. 고농도 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 유발한다는 우려도 있다. 

안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시된다. 이 방법은 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장·운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능하다. 

산소 환원반응에는 산소와 수소, 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 대량 생산이 어렵다는 한계가 있었다. 

연구팀은 500도, 상압 조건에서 이산화탄소를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행해 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화돼 과산화수소 생성 효율이 높아진 것으로 나타났다. 

개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소 생산이 가능했다. 100시간 동안 성능 저하도 일어나지 않았다. 

김종민 KIST 선임연구원은 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극 소재로 활용하기에 상용화 가능성이 매우 높다”며 “현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 환경’에 실렸다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]