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종이·반도체 생산 필수 '과산화수소' 생산효율 8배 높인 촉매 나왔다

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종이·반도체 생산 필수 '과산화수소' 생산효율 8배 높인 촉매 나왔다

2020.01.14 01:00
연구진이 개발한 코발트 원자 그래핀 촉매의 모식도다. IBS 제공
연구진이 개발한 코발트 원자 그래핀 촉매의 모식도다. IBS 제공

반도체 세정제와 종이 표백 등 산업 현장과 생활 현장에 널리 쓰이는 필수 소재인 과산화수소를 기존보다 최대 8배 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 촉매가 개발됐다. 물과 산소만으로 만들 수 있어 안전하고 제작단가도 저렴해, 현재의 생산공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.


기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수), 유종석 서울시립대 교수팀이 산소와 물만으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발했다고 14일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 13일자에 발표됐다.


과산화수소는 세계 100대 산업용 화학물질로 꼽히는 물질로 세계적으로 매해 400만~500만t 정도가 생산된다. 분해력과 소독력이 강해 폐수처리제나 종이 등의 표백제, 소독약, 화장품, 주방세제 등에도 널리 쓰인다. 반도체 산업에서 웨이퍼를 세정하는 데에도 사용된다. 현택환 단장은 “일본의 수출 규제로 주목 받은 반도체 세정제 불화수소보다 사용량이 1000배 이상인 대표적인 산업 화학물질”이라고 말했다. 


현재 산업용 과산화수소를 대량생산할 때에는 ‘안트라퀴논 공정’을 쓰고 있다. 안트라퀴논이라는 유기물에 수소를 첨가하고 공기로 산화시키는 단계를 거친다. 하지만 수소를 넣을 때 값비싼 귀금속인 팔라듐을 촉매로 다량 사용해야 하고, 여러 단계를 거처야 해 공정이 복잡하다는 단점이 있다. 에너지 소모량도 많고, 부산물로 유기물이 발생해 환경오염을 유발한다는 한계도 있었다. 


이런 단점을 해결하고자 최근 산소에 전자를 추가하는 과정(환원)을 이용하는 ‘전기화학적 방법’이 주목 받고 있다. 높은 압력이나 고온이 필요 없고 부산물이 없어 깨끗하다는 게 장점이지만, 이를 위한 적절한 촉매가 개발되지 않았다.


현 단장팀은 물과 산소만 이용해 과산화수소를 전기화학적으로 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 만들었다. 우리 몸에서 DNA 등 다른 생체 분자를 공격하는 유독한 산소 래디컬을 과산화수소로 바꿔주는 효소에서 구조의 아이디어를 얻었다. 탄소 원자가 마치 그물처럼 평면 형태 연결된 신소재인 그래핀의 산화물에 코발트 원자를 올린 구조로, 그래핀 촉매를 산소를 가득 녹인 수용액에 넣고 전기만 가하면 된다. 1kg의 촉매로 하루에 341kg을 생산할 수 있다. 성영은 부연구단장은 “현재까지 가장 효율이 좋다고 알려진 값비싼 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 생산성이 높다”며 “지난해 미국 스탠퍼드대가 개발한 공정을 추가로 적용하면 촉매 1kg으로 하루 2.7t을 생산할 수 있다”고 말했다. 새로 개발한 촉매는 팔라듐 가격의 2000분의 1 수준으로 저렴하고, 110시간 이상 연속으로 과산화수소를 생산한 뒤에도 성능의 98% 이상을 유지했다.


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


현택환 단장은 “향후 과산화수소 생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용돼 생산성을 향상시킬 것”이라고 말했다.
 

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