반도체 세정 '과산화수소' 전기 생산한다

반도체 세정 등 산업 필수 소재 과산화수소
8배 생산성 높이고 비용 2000분의 1로 줄여
원자 수준에서 촉매의 활성 조절 원리 규명

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.

[아시아경제 황준호 기자] 반도체 세정제 등 화학 및 제약 산업의 핵심 재료 중 하나인 과산화수소의 생산 효율을 최대 8배 높일 수 있는 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 산소와 물만 사용해 친환경적이며 비용도 2000분의 1로 줄일 수 있어, 경쟁력도 갖췄다.

기초과학연구원의 현택환 나노입자 연구단 단장과 성영은 부연구단장 연구팀은 유종석 서울시립대 교수팀과 공동으로 산소와 물만을 이용해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

전기촉매로 과산화수소 생산

연구진이 개발한 촉매와 기존 촉매의 과산화수소 생산량 비교

연구팀은 원자 수준에서 촉매활동을 조절해 과산화수소를 생산하는 방법을 고안해 냈다. 연구진이 개발한 촉매는 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태다. 산소를 포화시킨 수용액에 이 촉매를 넣고 전기를 가하면 별도의 화합물을 넣지 않아도 과산화수소를 생산할 수 있다.

이 촉매는 기존 촉매처럼 백금, 팔라듐 등 귀금속을 사용하지 않아 비용 절감적이다. 코발트는 지난 12월 24일 기준으로 1㎏당 약 3만7000원 정도로, 팔라듐(1㎏당 약 7700만원)보다 훨씬 싸다.

이 촉매는 기존 촉매보다 8배 가량 생산 성능이 좋다. 1kg의 촉매를 사용했을 때 하루에 341.2kg의 과산화수소를 생산할 수 있다. 이 촉매는 110시간 이상 과산화수소를 연속적으로 생산하는 실험을 진행한 후에도 초기성능의 98% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다.

특히 연구진은 이 촉매가 화학 반응 이후 회수해 재활용할 수 있어, 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다고 밝혔다.

과산화수소는 치약이나 주방세제 등 생활용품은 물론 멸균이 필요한 의료현장, 폐수 처리제, 불순물 제거가 필요한 반도체 공정 등에서 폭넓게 사용된다. 현재까지 산업용 과산화수소는 주로 안트라퀴논 공정으로 생산해왔다. 다만 이 공정은 에너지 소비가 많고 부산물이 나와 환경오염을 유발한다는 지적을 받아 왔다.

원자 수준에서 촉매활동 조절

현택환 나노입자 연구단 단장(왼쪽), 성영은 부연구단장

연구팀은 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다는 점에 주목했다. 이 촉매가 상온·상압에서도 안정적, 친환경적으로 생성물을 합성할 수 있는 만큼 다양한 화학공정에서 폭넓게 사용될 것으로 기대했다.

성영은 부단장은 "철, 코발트, 니켈 등 비교적 값싼 원자가 그래핀 위에 안정화되어 있을 때 전기화학반응 효과적으로 매개한다는 연구결과에 착안해 이번 연구의 아이디어를 얻었다"며 "원자 수준에서 촉매의 활성을 조절할 수 있음을 규명하고 계산화학을 통해서도 정당성을 확인했다. 이를 통해 코발트 원자 주변 구조를 변화시켜본 결과 세계 최고 수준의 과산화수소 생산 성능을 보이는 촉매를 개발할 수 있었다”고 설명했다.

현택환 단장은 "세계 100대 산업용 화학물질인 과산화수소를 환경 친화적이며 경제적으로 생산할 수 있게 됐다"며 "향후 과산화수소 생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학반응에 적용돼 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 연구결과는 재료 분야 세계적 학술지인 네이처 머터리얼스 14일자(한국시간)에 실렸다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr