울산과학기술원(UNIST) 연구진이 산업 공정에서 많이 쓰이는 과산화수소를 해당 현장에서 필요에 따라 쉽고 빠르게 생산할 수 있는 촉매를 개발했다.

7일 백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 과산화수소를 생산하는 데 쓰일 '탄소 기반 고효율 전기화학 촉매'를 개발했다고 밝혔다. 탄소 기반이라 저렴하고, 복잡한 공정이 필요 없어 현장에서 바로 과산화수소를 만들 수 있다는 것이 장점이다.

상처 소독약으로 흔히 알고 있는 과산화수소는 각종 산업 현장에서 '약방의 감초'처럼 사용되는 친환경 산화제다. 전기차에 사용되는 수소연료전지에서 수소 대신 사용될 가능성도 있어 앞으로 수요가 급증할 것으로 예상되는 물질이기도 하다.

▲ 과산화수소를 생산하는 데 쓰일 '탄소 기반 고효율 전기화학 촉매'를 개발한 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 소속 백종범 교수(왼쪽)와 가오펑한 연구원.

그러나 현재 과산화수소를 생산하는 '안트라퀴논 공정'(귀금속인 팔라듐을 촉매로 사용해 안트라퀴논이라는 성분에 수소를 첨가하고 공기로 산화시켜 과산화수소를 제조하는 방식)은 복잡하고 규모가 크며 에너지 소모가 높아 공장에서 대량으로만 생산할 수 있다.

이 때문에 공장에서 생산된 과산화수소를 필요한 현장까지 운반해 저장하는 비용이 적지 않고, 반응성이 높은 고농도 과산화수소를 관리하는 문제도 발생한다.

백 교수팀은 안트라퀴논 공정을 대신할 과산화수소 생산법으로 '전기화학적 방법'에 주목했다.

저렴한 탄소 물질을 기반으로 고효율 촉매를 개발해 '과산화수소 생성 반응'을 유도한 것이다.

연구진은 그래핀과 같은 얇은 탄소 기반 물질에 퀴논, 에테르, 카르보닐 등의 작용기(유기화합물의 화학반응 특성이나 화합물의 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 특정 원자단이나 구조들을 일컫는 말)를 붙이는 방식으로 촉매를 합성했다. 그 결과 97.8%의 높은 효율을 보이는 촉매를 합성하는 데 성공했다.

이번 연구에서는 촉매 반응이 일어나는 정확한 '활성 자리'도 규명했다.

기존 과산화수소 생성 촉매로 보고된 산화탄소 기반 물질에는 다양한 산소 작용기가 섞여 있어, 어떤 작용기가 촉매의 활성 자리인지가 정확히 밝혀지지 않았다.

이번에는 퀴논, 에테르, 카르보닐 같은 산소 작용기를 따로 붙인 산화탄소 물질 합성을 통해 활성 자리를 분석했고, 그 결과 '퀴논 작용기가 많이 붙은 산화탄소 물질이 가장 높은 촉매 효율을 보인다'는 점을 확인했다.

백 교수는 "이번 연구는 과산화수소가 필요한 현장에서 즉시 사용할 수 있는 고효율 과산화수소를 생산하는 촉매를 설계하는 길라잡이 역할을 할 것"이라면서 "과산화수소 운송·저장 비용을 절감하고, 각종 산업영역에서 과산화수소 활용 범위를 넓힐 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 자연과학 분야 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 5일 자 온라인에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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