소독·살균에 쓰이는 '과산화수소', 산업현장서 즉시 생산가능한 '촉매' 개발

UNIST, 에너지 및 화학공학부 백종범 교수 연구팀
복잡한 '안트라퀴논 공정' 전기화학적 방법으로 대체
기존 공장생산 운송·저장비용 절감 효과

각 작용기 별 과산화수소 생성 반응(ORHP)의 성능에 관한 분석/이미지=UNIST 제공

산업계에서 사용되는 '과산화수소(H₂O₂)'를 현장에서 바로 만들 수 있는 '촉매'가 개발돼 주목되고 있다.

과산화수소는 표백제와 소독제, 살균제, 반도체 세정작업 등에 쓰이는데 그 수요가 꾸준히 늘어나고 있으며 쉽고 빠르게 생산할 수 있는 방법이 생긴 것이다.

글로벌 산업 분석(GIA) 결과에 따르면 2024년 세계 과산화수소 수요량은 600만 톤으로 예상할 정도로 그 수요가 급증하고 있다.

UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수님은 과산화수소를 생산하는 데 쓰일 '탄소 기반 고효율 전기화학 촉매'를 개발했다고 6일 밝혔다.

이 촉매는 탄소 기반이라 저렴하고, 복잡한 공정이 필요 없어 현장에서 바로 과산화수소를 만들 수 있다. 특히 이번 연구에서는 촉매 반응이 일어나는 '활성 자리'도 찾아내 학계에서도 유의미한 인정을 받았다.

활성 자리(active site)란 '촉매는 반응물이 생성물이 되기 위해 필요한 에너지장벽을 낮추는 역할을 하는데, 이때 반응물이 촉매의 특정 영역에 붙어서 반응이 일어나는 것'을 의미한다.

약국에서 소독약으로 흔히 볼 수 있는 과산화수소는 각종 산업공정에서 감초처럼 사용되는 친환경 산화제이다. 또한 잠재적인 에너지 운반체로 평가돼 전기차에 사용되는 수소연료전지에서 수소 대신 쓰일 가능성도 있어 앞으로 수요가 급증할 것으로 예상된다.

하지만 현재 과산화수소를 생산하는 '안트라퀴논 공정(Anthraquinone process)은 복잡하고 규모가 크며 에너지 소모가 높아 공장에서 대량생산만 가능한 상황이다. 생산된 과산화수소를 현장까지 운반하고 저장하는 비용이 들며, 반응성이 높은 고농도 과산화수소를 관리하는 문제도 발생한다.

안트라퀴논 공정은 귀금속인 팔라듐(Pd)을 촉매로 사용해 안트라퀴논이라는 성분에 수소를 첨가하고 공기로 산화시켜 과산화수소를 제조하는 방식이다. 팔라듐이 고가의 귀금속인데다, 과산화수소 외에 다른 부산물이 발생해 환경 오염을 유발할 위험도 있었다.

[연구진사진] 백종범 교수(좌측), 가오펑한 연구원(우측)/사진=UNIST 제공

UNIST 백종범 교수팀은 안트라퀴논 공정을 대신한 과산화수소 생산법으로 '전기화학적 방법'에 주목했는데 저렴한 탄소 물질을 기반으로 고효율 촉매를 개발해 '과산화수소 생성 반응'을 유도했다.

연구팀은 그래핀과 같은 얇은 탄소 기반 물질에 퀴논, 에테르, 카르보닐 등의 작용기를 붙이는 방식을 통해 촉매를 합성했다. 그 결과 97.8%의 높은 효율을 보이는 촉매를 합성하는데 성공했다.

이번 연구에서는 촉매 반응이 일어나는 정확한 '활성 자리'도 규명했는데 기존에 과산화수소 생성 촉매로 보고된 산화탄소 기반 물질에는 다양한 산소 작용기가 섞여 있어 어떤 작용기가 촉매의 활성 자리인지 정확히 밝혀지지 않았다.

퀴논, 에테르, 카르보닐 같은 산소 작용기를 따로 붙인 산화탄소 물질을 합성해 정확한 활성 자리를 분석했고, 그 결과 퀴논 작용기가 많이 붙은 산화탄소 물질이 가장 높은 촉매 효율을 보인다는 것을 확인했다고 한다.

과산화수소 생성 반응(Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide) :산소의 환원 반응을 통해 과산화수소를 생성하는 반응이며, 경쟁 반응으로 물을 생성하는 반응이 있다/UNIST

이번 연구를 주도한 가오펑 한 박사는 "과산화수소 생성에 중요한 활성 자리에 대한 이해도를 높인 연구"라며 "실험과 더불어 밀도함수이론 계산법을 이용해 퀴논 작용기가 과산화수소 생성 반응에서 높은 촉매 활성과 매우 작은 과전압을 가진다는 것을 확인했다."고 설명했다.

또한 백종범 교수는 "이번 연구는 과산화수소가 필요한 현장에서 바로 사용 가능한 고효율 과산화수소 촉매를 설계하는 길라잡이 역할을 할 것이다. 이를 통해 과산화수소의 운송과 저장에 필요한 비용을 절감하고 각종 산업영역에서 과산화수소의 활용 범위를 넓힐 수 있을 것"이라고 기대했다.

이 연구는 공동 교신 저자로 UNIST 에너지 및 화확공학부의 펑 리 연구조교수와 캐나나 캘거리대학교 사미라 시아로스타미 교수가 참여했으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스 5월 5일자 'Building and identifying highly active oxygenated groups in carbon materials for oxygen reduction to H2O2'라는 논문명으로 온라인에 게재됐다.

연구 지원은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센서(SRC) 프로그램으로 이뤄졌다.

이번 연구로 고효율, 고내구성 촉매 개발 및 시스템 확장을 이뤄낸다면 대규모의 공정을 대체해 사회에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 과산화수소 촉매 개발 분야는 아직 초기 단계에 있어 관련 분야의 문제점을 해결하여 목표를 달성할 시 해당 연구를 선도할 수 있다.

포인트경제 심성필 기자