반도체 세척 등 산업계에 두루 쓰이는 과산화수소의 생산 효율을 대폭 높일 수 있는 방법이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단의 현택환 단장(서울대 교수) 등은 산소와 물만 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발해 생산 효율을 최대 8배 높일 수 있게 됐다고 14일 밝혔다.

연구진은 그래핀 위에 코발트 원자를 올린 구조의 새로운 전기 촉매를 개발했다.

이 촉매를 1kg 사용하면 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있다.

이는 기존 값비싼 귀금속 촉매 보다 8배가량 성능을 높인 것이다.

[그림 기초과학연구원 제공]

과산화수소는 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리, 불순물 제거가 필요한 반도체 공정 등 산업 전반에서 폭넓게 사용된다. 특히 반도체 공장에서는 고순도 과산화수소를 필요로 한다. 치약이나 주방세제, 종이 등 생활용품을 만드는 데도 필요한 원료다. 과산화수소는 구성 요소가 수소(H)와 산소(O)로만 이뤄져 있기 때문에 이상적으로는 수소와 산소, 그리고 물을 이용해 합성이 가능하다.

하지만 수소·물·산소를 직접 이용하는 방식은 촉매가 잘 활성화되지 않는다는 한계가 있어, 그간 ‘안트라퀴논 공법’으로 알려진 합성법으로 생산해왔다. 안트라퀴논 공정이란, 귀금속인 팔라듐을 촉매로 사용해 안트라퀴논이라는 성분에 수소를 첨가하고 공기로 산화시켜 과산화수소를 제조하는 방식이다. 팔라듐이 고가의 귀금속인데다, 과산화수소 외에 다른 부산물이 발생해 환경 오염을 유발할 위험도 있었다.

코발트 원자는 그래핀 위에 4개의 질소와 배위하여 안정되어 있다. 산소가 코발트 원자 주변에 존재할 때,

코발트 원자는 전자의 일부를 산소에게 넘겨주어 전자결손 코발트 원자를 만들고, 이로 인해 전기화학적

과산화수소 생산성이 높아지는 것으로 확인됐다. [자료 기초과학연구원 제공]

연구진은 안트라퀴논 공정의 문제점을 해결할 방법을 찾았다. 귀금속 촉매나 여러 단계에 걸친 복잡한 공정 없이 물(H2O)과 산소(O2)를 이용하여 과산화수소인 H2O2를 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 고안해내면서다. 신소재인 '그래핀' 위에 코발트(Co) 원자를 올린 촉매다.

단장은 “우리 몸 속에서 과산화수소를 만들어내는 효소가 SOD(superoxide dismutase)인데, 이 구조에서 아이디어를 얻어 촉매를 제조하게 됐다”고 설명했다. 이 촉매를 산소를 포화시킨 수용액에 넣고 전기를 가하면, 별도의 화합물 첨가 없이도 과산화수소를 생산할 수 있다.

실험결과 이 촉매는 팔라듐 등의 촉매보다 최대 8배 이상 높은 생산성능을 보였다는게 연구진의 설명이다. 이를 이용하면 1kg의 촉매를 사용했을 때 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있다. 또한 110 시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 진행한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지했다고 한다. 코발트는 가격이 팔라듐의 2000분의 1 수준으로, 이 방식을 이용하면 생산 비용도 줄일 수 있다.

성영은 부연구단장은 “과산화수소를 좀 더 산화시키면, 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 ‘연료전지’의 백금을 대체할 수 있는 촉매로도 사용이 가능하다”고 밝혔다. 그간 연료전지 연구 분야에서는 고가의 백금을 경제성 등이 높은 다른 촉매로 대체하려는 시도를 계속해왔는데, 이번 연구 결과로 백금을 대체한 연료전지 분야의 상용화까지 기대해 볼 수 있게 됐다.

해당 연구 결과는 이날 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에도 게재됐다.