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과산화수소 친환경적이고 값싸게 만들 새로운 탄소 촉매 개발

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2019년 01월 27일 12:00 프린트하기

주상훈 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(왼쪽)와 사영진 현 KIST 박사후연구원 연구팀은 과산화수소를 친환경적이고 값싸게 만들 수 있는 새 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다. UNIST 제공
주상훈 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(왼쪽)와 사영진 현 KIST 박사후연구원 연구팀은 과산화수소를 친환경적이고 값싸게 만들 수 있는 새 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다. UNIST 제공

제지산업 등에 쓰이는 과산화수소(HO)를 친환경적이고 값싸게 만드는 새로운 탄소 촉매가 개발됐다.

 

주상훈 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀은 전기를 써 산소를 과산화수소로 전환할 수 있게 돕는 고성능 탄소 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

 

과산화수소는 종이를 만드는 제지산업을 비롯해 다양한 화학합성 분야에 쓰인다. 산소(O)와 수소(H)를 반응시켜 합성하는데 이 둘을 직접 반응시키면 폭발 위험이 크다. 직접 반응시키는 대신에 수소와 특정 유기분자를 써 산화, 환원, 분리 등 다양한 과정을 거쳐 생산하는 공정이 주로 쓰였다. 이 공정은 고압의 수소와 팔라듐(Pd)같은 귀금속 촉매가 쓰이는 데다 과정이 많아 과산화수소를 만드는 비용이 많이 든다. 이 과정에서 유기 폐기물도 생겨 환경오염을 일으킨다는 문제도 있었다.

 

이에 대한 대안으로 과학자들은 전기화학적 변환을 통해 친환경적이면서도 값싼 과산화수소 생산법을 연구해 왔다. 전기를 써 공기 중에 산소를 과산화수소로 바꾸는 방식이다. 여기에 쓰이는 촉매로 주목받는 물질이 탄소 기반 물질이다특히 탄소 원자가 흑연처럼 2차원 육각 구조를 형성할 때 구조의 가장자리가 촉매 특성이 좋다.

 

다만 지금까지 개발된 탄소 촉매는 상용화하기에는 활성과 산소를 선택해 과산화수소로 바꾸는 선택성이 떨어졌다. 특히 흑연은 높은 온도에서 생산할 수 있는데 이 경우 탄소가 크게 자라 가장자리가 많은 탄소를 만들기 어려웠다. 흑연 결정 구조를 갖는 탄소나노튜브(CNT)나 그래핀에 고의적인 결점을 만드는 방법도 있으나 촉매 특성 자체가 떨어지는 문제가 있었다.

 

연구팀은 탄소 촉매의 가장자리(엣지)를 늘리기 위해 2~50나노미터 크기의 구멍을 갖는 실리카 물질 내부에서 탄소 원자를 흑연으로 성장시켜 새 촉매를 만들었다. UNIST 제공
연구팀은 탄소 촉매의 가장자리(엣지)를 늘리기 위해 2~50나노미터 크기의 구멍을 갖는 실리카 물질 내부에서 탄소 원자를 흑연으로 성장시켜 새 촉매를 만들었다. UNIST 제공

가장자리의 수를 늘리기 위해 연구팀은 2~50나노미터(, 10억분의 1m) 크기의 구멍을 갖는 실리카(SiO) 물질의 구멍 내부에서 탄소 원자를 흑연으로 성장시키는 방식으로 새로운 촉매를 만들었다. 구멍 속에서 성장한 탄소는 수평으로 넓어지는 대신 수직으로 층을 이루며 가장자리 수가 많아졌다.

 

이렇게 만든 새로운 촉매는 가장자리가 거의 없는 탄소나노튜브(CNT)보다 28배 높은 과산화수소 생산 성능을 보였다. 산소 선택도도 99% 수준으로 지금까지 나온 탄소 촉매 중 최고 성능을 보였다. 16시간 연속 구동하면서 24밀리몰(mM)의 과산화수소 농도를 갖는 반응수를 얻는 동안에도 촉매 성능은 떨어지지 않았다.

 

주 교수는 고성능 탄소 촉매로 얻은 반응수는 추가로 분리하거나 농축하지 않고 표백이나 산폐수 처리 등에 바로 적용할 수 있는 수준이라며 새로운 탄소 촉매를 전기적 과산화수소 산업으로 응용할 미래가 기대된다고 말했다.

 

이번 연구는 이달 21일 독일 학술지 앙게반테 케미에 최우수 수준 논문인 ‘VIP’ 논문으로 소개됐다.

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