화학뉴스

국내 연구진이 염소를 저렴하고 효율적으로 만드는 방법을 개발했다.
울산과학기술원(UNIST)는 에너지 및 화학공학부의 주상훈‧곽상규 교수팀이 염소 생산에 주로 쓰는 전기화학적 방법에 쓸 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다.
백금(Pt) 원자 하나가 CNT(Carbon Nano Tube)에 고르게 분산된 구조를 가진 촉매로, 기존 상용촉매(DSA)보다 귀금속 함량이 150배 적으면서도 염소 발생효율은 높고 반응 조건은 덜 까다로운 것으로 알려졌다.
현재 쓰이는 염소 발생용 전기화학촉매는 루테늄과 이리듐 같은 귀금속을 다량 포함한 산화물이기 때문에 고가라는 단점이 있다.
또 염소 이온 농도가 낮은 조건이나 중성 pH 환경에서는 염소 외에 산소까지 발생시켜 염소 생산효율이 낮은 점도 지적됐다.
연구진은 문제의 원인이 금속산화물 기반 촉매의 본질적 특성에 있다는데 착안해 금속산화물이 아닌 다른 형태의 촉매를 개발했다.
새로 개발한 촉매는 CNT 위에 질소(N) 원자 4개로 둘러싸인 백금 원자가 분산된 형태의 단원자 분산 촉매로, 금속 원자(Pt)가 표면에 완전히 드러나기 때문에 함량이 적어도 높은 효율을 낼 수 있고 다양한 전해질 조건에서 상용촉매보다 우수한 성능을 나타냈다.
또 바닷물처럼 염소 이온을 많이 포함하거나 반대로 염소 이온 농도가 낮아도 높은 효율을 보여 앞으로 다양한 환경의 전기화학적 수처리 장비에 응용될 것으로 기대되고 있다.
연구진은 새로운 촉매의 실험에서 얻은 데이터를 이론 계산에 적용해 활성점의 구조와 전기화학적 반응 원리를 규명했다.
촉매 성능이 좋아진 이유는 활성점과 CNT 지지체 간에 구조적 일체성이 증가해 전자의 전달이 원활해졌기 때문으로 확인됐다.
곽상규 교수는 “분자 모델링과 계산을 통해 촉매 활성점의 중심 구조를 밝혔다”며 “계산 원리가 다양한 단원자 촉매의 반응성과 반응 원리를 해석하는데 기여할 것”이라고 강조했다.
주상훈 교수는 “새로 개발한 단원자 촉매는 50년 전 상용화된 귀금속 산화물계 촉매의 패러다임을 바꾸는 새로운 촉매 설계 개념”이라며 “특히, 전해질 조성에 크게 영향을 받지 않아 중·소규모 수처리 장치와 선박평형수 처리 등에서 다양하게 응용될 것”이라고 강조했다.
연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인 판에 1월21일 게재됐다. (K)