KIST, 과산화수소 대량생산 위한 고효율 탄소 촉매 개발

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

국내 연구진이 과산화수소 대량생산을 위한 고효율 탄소 촉매를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 김종민 선임연구원, 계산과학연구센터 한상수 책임연구원과 한국과학기술원(KAIST) 이재우 교수 연구팀이 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이, 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 공정은 안트라퀴논(Anthraquinone)이다. 이 공정은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 많은 비용이 발생하는 단점이 있었다. 촉매 반응 과정에서 오염물질도 발생했다.

안트라퀴논 공정의 대안으로 나오는 것이 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이다. 문제는 기존의 상업용 탄소 촉매는 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어려웠다.

공동 연구팀은 500도의 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시키는 방식으로 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성하는 데 성공했다. 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 확인하고 붕소를 탄소 촉매에 도핑한 것이다. 이렇게 개발한 촉매를 유동식 반응기에서 테스트하자 촉매 1㎏당 284㎏의 과산화수소를 생산할 수 있었다. 100시간 동안 성능 저하도 없었다.

제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “이번 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명해 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’에 3월 2일과 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 게재됐다.

참고자료

Applied Catalysis B: Environmental, DOI : https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557

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