▲ IBS 나노입자 연구단은 그래핀 위에 코발트 원자를 올린 형태의 새로운 촉매를 개발해 과산화수소 생산 효율을 크게 높였다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 화학산업은 물론 제약산업에서 다방면으로 쓰이는 과산화수소(H₂O₂)의 생산효율을 8배가량 높일 수 있는 촉매를 개발했다. 개발된 촉매는 산소와 물만을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산하는 것은 물론 기존 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴한 재료를 사용해 가격 경쟁력이 높다는 장점이 있다.

화학산업의 ‘쌀’로도 불리는 과산화수소는 치약, 주방세제와 같은 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수처리장, 불순물 제거가 필수적인 반도체 공정 등에서 다양하게 활용된다. 현재 산업용 과산화수소는 안트라퀴논(Anthraquinone)을 유기용매에 녹인 뒤, 값비싼 귀금속인 팔라듐으로 만든 촉매를 이용해 만들어진다. 비싼 촉매를 이용할뿐더러 유기 용매를 사용하기 때문에 환경오염을 유발한다는 단점이 있다.

연구팀은 복잡한 공정 없이 물(H₂O)과 산소(O₂)를 이용하여 과산화수소를 생산할 수 있는 촉매를 고안해냈다. 연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태다. 귀금속 보다 약 2000배 저렴한 코발트 원자를 사용했기 때문에 경제적이다. 이 촉매를 산소를 포화시킨 수용액에 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물을 첨가하지 않고도 과산화수소를 생산할 수 있다.

개발된 촉매는 지금까지 가장 효율이 좋다고 알려진 촉매보다 최대 8배 이상 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.

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.

▲ 연구진이 개발한 촉매(맨 위)와 기존 촉매의 과산화수소 생산 성능을 비교한 표.

연구결과는 재료과학 분야 권위지인 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 1월 14일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬