10대 화학물질 '염소' 싸고 효율적으로 만든다

주상훈·곽상규 UNIST 교수 연구팀, 고성능 촉매 개발
금속 산화물 촉매가 지닌 근본적 단점 극복할 촉매군
UNIST 연구팀이 염소 생산에 주로 쓰이는 전기화학적 방법에 쓸 새로운 촉매를 개발했다.<사진= UNIST>UNIST 연구팀이 염소 생산에 주로 쓰이는 전기화학적 방법에 쓸 새로운 촉매를 개발했다.<사진= UNIST>

살균이나 소독에 흔하게 쓰이는 염소를 더 싸게 만드는 방법이 나왔다. 연간 7500만톤이나 생산되는 세계 10대 주요 화학물질인 염소 관련 산업에 큰 도움이 될 전망이다.

UNIST(총장 이용훈)는 주상훈·곽상규 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 염소 생산에 주로 쓰는 전기화학적 방법에 쓸 새로운 촉매(Pt₁/CNT)를 개발했다고 22일 밝혔다.

연구팀이 개발한 촉매는 기존 상용촉매(DSA)보다 귀금속 함량이 150배 적으면서도 염소 발생 효율은 높고 반응 조건이 덜 까다롭다.

현재 쓰이는 촉매는 염소 발생용 전기화학촉매는 루테늄(Ru)과 이리듐(Ir) 같은 귀금속을 다량 포함한 산화물이라 비싸다는 단점이 있다. 또 염소 이온 농도가 낮은 조건이나 중성 pH 환경에서는 염소만 생산하는게 아니라 산소까지 발생시켜 염소 생산효율이 낮다.

연구진은 그 원인이 '금속산화물 기반 촉매'의 본질적 특성에 있다는 데 착안해 금속산화물이 아닌 다른 형태의 촉매를 개발했다. 탄소 나노튜브 위에 질소(N) 원자 4개로 둘러싸인 백금(Pt) 원자가 분산된 형태의 단원자 분산 촉매다.

이 촉매는 금속 원자(Pt)가 표면이 완전히 드러나기 때문에 함량이 적어도 높은 효율을 낼 수 있고 다양한 전해질 조건에서 상용 촉매보다 우수한 성능을 보였다. 또 바닷물처럼 염소 이온을 많이 포함하거나 반대로 염소 이온을 많이 포함하거나 반대로 염소 이온 농도가 낮아도 높은 효율을 보여 다양한 환경의 전기화학적 수처리 장비에 응용될 가능성도 높다.

제1저자인 임태정 화학공학과 박사과정 연구원은 "새로운 촉매의 활성점에는 선택적으로 염소 이온만 흡착되고 다른 부가적 반응이 억제되는 걸 확인했다"며 "기존 금속 산화물 촉매가 지니는 근본적 단점을 극복할 촉매군이 될 것"이라고 강조했다.

곽상규 교수와 정관영 박사는 새로운 촉매 실험에서 얻은 데이터를 이론 계산에 적용해 활성점이 구조와 전기화학적 반응 원리를 규명했다. 연구팀은 촉매 성능이 좋아진 이유로 활성점과 탄소 나노튜브 지지체 간에 구조적 일체성이 증가해 전자의 전달이 원활해졌기 때문임을 확인했다.

곽 교수는 "분자 모델링과 계산을 통해 촉매 활성점의 중심 구조를 밝혔다"며 "이 계산 원리는 향후 다양한 단원자 촉매의 반응성과 반응 원리를 해석하는데 기여할 것"이라고 말했다.

주상훈 교수는 "이번에 개발한 단원자 촉매는 50년 전 상용화된 귀금속 산화물계 촉매의 패러다임을 바꾸는 새로운 촉매 설계 개념"이라며 "특히 이번 촉매는 전해질 조성에 크게 영향을 받지 않아 중 · 소규모 수처리 장치와 선박평형수 처리 등에서 다양하게 응용될 것"이라고 기대했다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 '미래소재디스커버리사업 및 수소에너지혁신기술개발사업'의 지원으로 이뤄졌다. 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인 판에 21일 게재됐다.
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