화학 및 제약 산업의 핵심재료인 과산화수소(H₂O₂)의 생산 효율을 최대 8배 높일 수 있는 촉매가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단의 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 유종석 서울시립대 교수팀과 공동으로 산소와 물만을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발했다. 기존 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴한 촉매로 과산화수소를 생산할 수 있어 가격, 효율, 환경 문제를 모두 해결한 1석 3조의 기술로 평가된다.

과산화수소는 치약이나 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리제, 불순물 제거가 필요한 반도체 공정 등에서 폭넓게 사용된다. 산업용 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정¹⁾으로 생산된다. 하지만 안트라퀴논 공정은 값비싼 팔라듐 촉매를 사용하며, 에너지가 많이 소비될 뿐만 아니라 부산물로 유기물이 발생해 환경오염을 유발한다는 한계가 있다. 초정밀 반도체 및 기계부품의 발전과 함께 과산화수소 수요가 증가하고 있어 저렴하면서도 높은 효율로 과산화수소를 생산할 수 있는 지속가능한 공정이 요구되는 상황이다.

연구팀은 여러 단계에 걸친 복잡한 공정 없이 물(H₂O)과 산소(O₂)를 이용하여 과산화수소를 전기적으로 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 고안해냈다. 연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태다. 기존 촉매와 달리 백금, 팔라듐 등 귀금속 대신 값싼 코발트 원자를 사용했기 때문에 가격이 저렴하다.

개발된 코발트 원자/그래핀 촉매를 산소를 포화시킨 수용액에 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물 첨가 없이도 과산화수소를 생산할 수 있다. 이 촉매는 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배이상 높은 생산성능을 나타냈다. 1kg의 촉매를 사용했을 때 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있는 성능이다. 또한 110시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 진행한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다.

성영은 부단장은 “철, 코발트, 니켈 등 비교적 값싼 원자가 그래핀 위에 안정화되어 있을 때 전기화학반응 효과적으로 매개한다는 연구결과에 착안해 이번 연구의 아이디어를 얻었다”며 “원자 수준에서 촉매의 활성을 조절할 수 있음을 규명하고 계산화학을 통해서도 정당성을 확인했다. 이를 통해 코발트 원자 주변 구조를 변화시켜본 결과 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 성능을 보이는 촉매를 개발할 수 있었다”고 설명했다.

연구진이 개발한 촉매는 불균일촉매²⁾로 균일촉매에 비해 저렴하고, 반응 이후 회수해 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다. 이번 연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 학술적 의미가 있다. 연구진은 이 촉매가 상온‧상압에서도 안정적, 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있는 만큼 다양한 화학공정에서 폭넓게 사용될 것으로 기대하고 있다.

현택환 단장은 “세계 100대 산업용 화학물질인 과산화수소를 환경 친화적이며 경제적으로 생산할 수 있게 됐다”며 “향후 과산화수소 생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용돼 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과는 재료 분야 세계적 학술지인 네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 39.124) 1월 14일자(한국시간)에 실렸다.

그림설명

▲ [그림 1] 연구진이 개발한 코발트 원자/그래핀 촉매의 모식도연구진은 그래핀 위에 코발트 원자를 올린 구조의 새로운 전기 촉매를 개발했다. 이 촉매를 1kg 사용하면 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있다. 이는 기존 값비싼 귀금속 촉매 보다 8배가량 성능을 높인 것이다.

▲ [그림 2] 코발트 원자 주변 구조 제어를 통한 촉매 활성 조절코발트 원자는 그래핀 위에 4개의 질소와 배위하여 안정되어 있다. 산소가 코발트 원자 주변에 존재할 때, 코발트 원자는 전자의 일부를 산소에게 넘겨주어 전자결손 코발트 원자를 만들고, 이로 인해 전기화학적 과산화수소 생산성이 높아지는 것으로 확인됐다.

▲ [그림 3] 연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 성능 비교연구진이 합성한 코발트 단원자/그래핀 촉매는 기존 과산화수소 생산 활성이 높다고 알려진 값비싼 귀금속 촉매들보다 월등히 높은 활성도를 지니고 있음이 확인됐다. 또한 이 촉매는 기존촉매들보다 훨씬 안정성도 뛰어나 110시간이 넘는 과산화수소 생산 이후에도 99%에 달하는 초기성능을 유지할 수 있었다.

▲ [그림 4] 연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 과산화수소 생산량 비교연구진이 합성한 코발트 단원자/그래핀 촉매 1kg 사용 341.2kg의 과산화수소를 하루 동안에 생산할 수 있음을 확인했다. 이는 기존 과산화수소 생산 활성이 높다고 알려진 값비싼 귀금속 촉매들보다 최대 8배 이상의 생산성을 지니고 있음이 확인됐다.