화학뉴스

귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴하면서도 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 촉매가 개발됐다.
기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단 단장과 성영은 부연구단장, 유종석 서울시립대 교수 공동 연구팀이 전기 촉매를 개발했다고 1월14일 발표했다.
과산화수소는 치약, 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리제, 불순물 제거가 필요한 반도체 공정 등에 폭넓게 사용되며, 특히 반도체 세정과 같은 산업용 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정으로 제조하고 있다.
하지만, 안트라퀴논 공정은 고가 팔라듐 촉매를 투입해야 하고, 촉매 변환과정에서 부산물로 유기물이 발생해 환경오염을 유발해 저렴하면서도 높은 효율로 과산화수소를 생산할 수 있는 공정이 요구되고 있다.
연구팀은 여러 단계에 걸친 복잡한 공정 없이 물(H2O)과 산소(O2)를 이용해 과산화수소를 전기적으로 생산할 수 있는 촉매를 고안해냈다.
연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태로 기존 촉매와 달리 백금, 팔라듐 등 귀금속을 사용하지 않고 값싼 코발트 원자를 사용했기 때문에 코스트가 저렴하며 생산성은 지금까지 가장 효율이 높은 것으로 알려진 귀금속계 촉매보다 최대 8배 이상 높은 것으로 알려졌다. 
1kg의 촉매를 사용했을 때 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있고, 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 안정화돼 있을 때 전기화학 반응을 효과적으로 매개한다는 연구결과에 착안해 아이디어를 얻었다”며 “원자 수준에서 촉매의 활성을 조절할 수 있음을 규명하고 계산화학을 통해 정당성을 확인했다”고 밝혔다.
연구는 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 점에서도 의미가 평가되고 있다.
특히, 상온·상압에서도 안정적, 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있어 다양한 화학공정에서 폭넓게 사용될 것으로 기대되고 있다.
현택환 단장은 “세계 100대 산업용 화학물질인 과산화수소를 환경친화적이며 경제적으로 생산할 수 있게 됐다”며 “앞으로 과산화수소 생산은 물론 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용돼 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다”고 강조했다.
연구결과는 재료 분야 세계적 학술지 네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 39.124) 1월14일자에 실렸다.