“골칫덩어리 이산화탄소의 변신” ‘과산화수소’ 대량생산길 열었다

- KIST-KAIST 공동연구팀, 시간 당 284kg 생산가능한 탄소촉매 개발

장웬준(왼쪽) 연구원과 최재원 박사후연구원이 개발한 고성능 탄소촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 화학 산업의 핵심 물질인 과산화수소를 가격은 낮추고 친환경적으로 대량 생산할 수 있는 길이 열렸다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김종민·한상수 박사와 카이스트(KAIST) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다.

안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다.

KIST 연구진이 개발한 고효율, 저비용의 붕소도핑된 탄소촉매(왼쪽부터) 촉매를 도포한 전극, 코발트 단원자가 담지된 탄소촉매.[KIST 제공]

KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다.

KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다.

김종민 KIST 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이로멘털’에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com