탄소촉매로 과산화수소 친환경 대량생산하는 기술 개발

KIST-KAIST 공동연구진···하수처리 등에도 응용 가능

온실가스인 이산화탄소를 산업 현장에 널리 쓰이는 과산화수소 제조를 위한 친환경 촉매에 활용하는 기술이 개발됐다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 KAIST 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 과산화수소를 대량 생산할 수 있는 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.

KIST 연구진(좌측: 장웬준 연구원, 우측: 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. (사진=KIST)

과산화수소는 표백제와 살균제, 종이 및 펄프 산업, 반도체 웨이퍼 세정제 등에 폭넓게 쓰인다. 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 '안트라퀴논(Anthraquinone) 공정'은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다.

안트라퀴논 공정의 대안으로 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 있다. 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있고, 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소를 생산할 수 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙 같은 기존 상업용 탄소 촉매는 수백 ㎃/㎠의 고전류밀도에서 과산화수소 촉매 선택도와 활성이 낮아 대량생산이 어렵다는 문제가 있다.

KIST와 KAIST 연구팀은 500℃, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH₄)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 

이 반응점은 고전류 밀도에서도 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1㎏당 284㎏의 과산화수소를 생산하는 최고 수준의 활성을 보였다. 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적 과산화수소 생산이 가능했다.

이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 (자료=KIST)

KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지해 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매도 개발했다. 우수한 과산화수소 생성 특성 덕분에, 이 촉매를 과산화수소를 발생시켜 하폐수 처리 작용에 활용하는 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용하자 기존 전극보다 유기 오염물 분해 속도가 빨라졌다. 수처리 분야에 응용할 수 있는 가능성을 보였다는 설명이.

제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 "본 연구는 저비용·고효율 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명해 향후 고성능 과산화수소 촉매 개발의 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다"라고 말했다. 

김종민 박사는 "물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업 분야로 응용확장이 가능하다"라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 학술지 '어플라이드 카탈리스스 B: 인바이런먼탈(Applied Catalysis B: Environmental)에 두 편의 논문으로 게재됐다. 

* 논문명 

CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production

Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production