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KIST, 과산화수소 대량생산을 위한 고효율 탄소 촉매 개발

작성자 : 취재부 2023-06-11 20:28:25 | 조회 : 1174



- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용·친환경 전기화학적 합성법 이용
- 시간당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다.

과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장·운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한, 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다.

안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원 반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 

산소 환원 반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙1)과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/㎠의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도2)와 활성을 갖기 때문에 대량 생산이 어렵다는 한계가 있었다.

KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제3)인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 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. 

해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다.

KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 

해당 촉매를 전기펜톤산화공정4)의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다.

 1) 카본 블랙: 미세한 탄소의 분말, 그을음으로 탄화수소가 열분해 또는 불완전 연소함으로써 생성됨.
 2) 촉매 선택도: 촉매 A가 화학반응에서 생성되는 원하는 생성물 B의 양을 크게 증가시키면서 동시에 원하지 않는 생성물 C의 양을 줄일 수 있는 경우, 촉매 A는 높은 선택도를 가진 것으로 간주됨.
 3) 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 성질을 가진 물질을 의미함. 이산화탄소는 수소화붕소나트륨과의 환원 반응으로 산소를 잃고 탄소만 남게 됨.
 4) 전기펜톤산화공정(electro-Fenton oxidation process): 전기화학반응을 통해 환원극에서 물속 용존 산소를 환원시켜 과산화수소를 실시간으로 공급하면서 철이온과 반응하여 OH 라디컬을 형성해 하폐수안에 유기물질을 산화하여 분해하는 하폐수 처리공정.

제1저자인 KIST 최재원 박사후연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원 반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다”라고 설명했다. 

교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극 소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업 분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제과학저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다.

* 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production 
- 제1저자: 한국과학기술원 변아영 박사
- 제1저자: 한국과학기술연구원 최재원 박사후연구원
- 제1저자: 한국과학기술연구원 이홍우 박사후연구원
- 교신저자: 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원
- 교신저자: 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원
- 교신저자: 한국과학기술원 이재우 교수
   https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 

* 논문명:Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production 
- 제1저자: 한국과학기술연구원 장웬준 학생연구원
- 제1저자: 한국과학기술연구원 최재원 박사후연구원
- 제1저자: 한국과학기술연구원 김수연 박사후연구원
- 교신저자: 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원
- 교신저자: 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원
   https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712