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‘과산화수소’의 다양한 쓰임새와 촉매 개발
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‘과산화수소’의 다양한 쓰임새와 촉매 개발
  • 김수철 기자
  • 승인 2021.09.10 11:20
  • 댓글 0
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소독, 염색, 표백, 산화제...의약품·반도체·태양광 등 다양한 산업군에 사용
안트라퀴논 공법의 생산은 고가 팔라듐 촉매와 유기 오염물 방출
친환경 전기화학적 생산방식... 탄소 촉매 연구 활발
가정용 과산화수소, 약 3%의 과산화수소 포함
깊은 상처나 심각한 화상, 눈 등에 사용하지 말아야

우리 생활 속에서 과산화수소(H2O2)는 낮은 농도로 소독약이나 염색·표백제 등으로 흔히 쓰이고 있는데 더 높은 농도의 과산화수소는 다양한 산업에서 사용되고 있다. 

과산화수소는 의약품이나 목재 펄프를 비롯해 반도체·디스플레이, 태양광 등의 산업군에서 사용되는 핵심 화학물질로 염소계 산화제와 함께 대표적인 산화제다. 친환경성을 강점으로 토양복원이나 폐수처리 산업에도 널리 쓰이며, 고순도 과산화수소는 반도체 및 디스플레이, 태양광 산업에서 식각 및 세척 용도로도 사용된다. 또 로켓 추진 연료나 군용 레이저포에도 사용되기도 한다.

과산화수소(Hydrogen peroxide, H2O2) 화학물질 정보 /미국 국립생명공학정보센터 PubChem 갈무리

독성물질 포털(CDC-ATSDR)에 따르면 과산화수소는 상온에서 쓴맛이 나는 무색 액체이며, 소량의 기체 과산화수소는 공기 중에 자연적으로 발생하기도 한다. 과산화수소는 불안정해 열을 방출하면 쉽게 산소와 물로 분해된다. 불연성이지만 유기 물질과 접촉하면 자연 발화를 일으킬 수 있는 강력한 산화제다. 또 안정화된 과산화수소는 저온에서 결정질 고체로 나타나며 약간 자극적인 냄새가 난다.

전 세계적인 과산화수소의 관심과 수요도 점차 증가 추세인데 대부분 현재 안트라퀴논 공정을 통해 생산되고 있다. 고압의 수소 기체와 비싼 팔라듐 기반 수소화 촉매를 사용하기 때문에 정제나 농축을 위해 에너지가 많이 투입되어 생산 단가가 높아진다. 고농도 생산이 필수적이며 운송비용과 운송 중 과산화수소의 분해를 막는 안정제 비용도 크기 때문에 전기를 이용한 친환경적인 과산화수소 생산이 주목받고 있다.

또한 과산화수소의 생산이 의존하고 있는 안트라퀴논 공법은 고가의 팔라듐 촉매가 필요할 뿐만 아니라 유기 오염물을 방출한다. 반면 전기화학적 생산 방식은 물(H2O) 외에는 반응 부산물이 없으며, 재생에너지 생산 전기와 결합해 사용하면 생산 단가도 낮출 수 있다.

탄소로 이루어진 촉매는 저렴하고 매장량이 풍부하며 높은 전도성으로 연구가 활발한데 순수한 탄소 물질은 활성과 선택성이 낮기 때문에 이종 원소를 도핑을 통해 촉매 표면에 활성점을 생성하거나 결함과 기공 구조를 조절해 성능을 높인다. 그러나 활성 요소를 명확하게 밝히는 것이 어려워 개발이 더딘 상황이라고 한다.

지난해 초 기초과학연구원(IBS)은 기존 귀금속 촉매보다 2000배 이상 저렴하면서 과산화수소를 친환경적인 방법으로 최대 8배 많이 생산할 수 있는 촉매를 개발했다고 밝힌 바 있다. 복잡한 공정 없이 물(H2O)과 산소(O2)를 이용하여 과산화수소를 전기적으로 생산할 수 있는 저렴한 촉매를 고안해냈는데, 2차원 그래핀 위에 코발트(Co) 원자를 올린 형태의 촉매다. 세계 최초로 원자 수준에서 불균일 촉매의 활성을 높일 수 있는 원리를 규명했다.

개발한 촉매의 성능 /연구그림=UNIST

또 지난 9일 울산과학기술원(UNIST)은 친환경 전기 과산화수소 생산 공법의 상용화 가능성을 높이는 고성능 촉매를 개발했다고 밝혔다. 활성과 반응 효율이 지금껏 보고된 중 가장 높고, 촉매의 핵심 설계 요소가 밝혀져 촉매 개발의 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 탄소 촉매의 구조를 정밀하게 조절할 수 있는 합성법을 이용하여 탄소계 촉매의 성능과 효율을 향상하는 핵심 촉매 설계 요소를 밝히고 이를 활용해 고성능 나노다공성 탄소 촉매를 개발했다고 설명했다.

고성능 과산화수소 생산 촉매 개발 전략 모식도 /연구그림=UNIST

카르복실 작용기와 엣지 탄소가 핵심 촉매 활성점이라는 것을 밝히고, 활성점의 수가 극대화된 고성능 촉매를 개발할 수 있었다고 한다. 168시간 동안 성능 저하 없이 안정적으로 과산화수소를 생산했으며, 100%에 가까운 효율을 보였는데, 전기에너지가 부산물인 물(H2O)을 만드는 데 낭비되지 않고 거의 100% 과산화수소만 생성돼 효율이 높다.

사진=chemica lsafety facts 갈무리

한편, 가정용 과산화수소는 일반적으로 약 3%의 과산화수소가 포함되어 있고, 치아 미백 제품에서 과산화수소는 0.1~6% 미만이 포함되어 있다. 과산화수소는 경미하게 베인 상처나 찰과상, 화상의 감염을 방지하기 위해 피부에 사용하는데 깊은 상처나 동물에 물린 자국, 심각한 화상 등의 치료에는 사용하지 않는 게 좋고, 눈이나 넓은 부위의 피부에는 사용하지 말아야 한다. 이러한 저농도로 희석된 과산화수소 제품은 피부를 통해 쉽게 흡수되지 않지만 점막에 약간 자극을 줄 수 있고, 절대 섭취하면 안 된다.

국립직업안전보건연구소에 따르면 산업 현장에서 높은 농도의 과산화수소의 허용 노출 한계는 8시간 근무 교대조 동안 백만 분의 1이며, 증기나 안개, 에어로졸 형태로 과산화수소를 흡입하면 환기가 잘 되지 않는 공간에서 질식사를 일으킬 수 있어 주의가 필요하다.

[케미컬뉴스=김수철 기자]



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